Гидравлический расчет промывки скважины для удаления песчаной пробки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ УСТАНОВКИ ПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА В ГЛУБИННОНАСОСНЫХ СКВАЖИНАХ

В глубиннонасосных скважинах, в которых после промывки пробки предусматривается подъем труб, глубина установки промывочного устройства определяется так же, как и для компрессорных скважин при подъеме всех труб. В скважинах, в которых не предусмотрен подъем труб, вопрос о глубине установки ПУ-1 решается следующим образом.

Если глубина подвески насоса после промывки будет оставлена без изменения или будет уменьшена, устройство ПУ-1 присоединяют к верхней трубе находящихся в скважине труб. После этого, наращивают промывочные трубы из расчета установки их башмака на 15 м выше уровня пробки. Если же после промывки скважины предусматривается увеличение глубины подвески насоса, то необходимо добавить трубы соответствующих длин. Затем установить ПУ-1 и спустить трубы в скважину. Перед промывкой скважины башмак промывочных труб должен находиться выше пробки на 15 м. По окончании промывки из скважины поднимают наращенные промывочные трубы с ПУ-1.

Задача 1. Определить глубину установки промывочного устройства в глубиннонасосной скважине глубиной 1800 м, которая выбыла из эксплуатации вследствие образования в ней пробок. Интервал перфорации 1785−1755 м. Глубина уровня пробки 1730 м. По окончании промывки промывочные трубы будут подняты.

Решение. Определим длину l3 промывочных труб, подлежащих спуску в скважину до присоединения к ним промывочного устройства, по формуле:

l3=l2+ml1, (1).

где l2-расстояние от искусственного забоя скважины до нижних отверстий фильтра, т. е. глубина зумпфа, м; т-коэффициент, предусматривающий безопасные условия работ при промывке скважины (берется в пределах 3−5, принимаем m=4); l1 — длина фильтра, м.

Тогда в формуле (1) в правой части второе слагаемое будет представлять собой учетверенную длину фильтра (4l1). Минимальное расстояние от ПУ-1 до верхних отверстий фильтра должно быть не менее 30 м.

l1=H1-H2 (2).

где H1, H2 — глубина соответственно нижних и верхних отверстий фильтра.

Подставляя данные в формулу (2), имеем:

l1=1785—1755=30 м.

Длина зумпфа скважины:

l2=H-H1 (3).

где Н — глубина скважины, м.

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (3), будем иметь:

l2=1800—1785=15 м.

Тогда по формуле (1) получим:

l3=15+4(1785—1755) = 135 м.

После установки ПУ-1 на расчетной глубине продолжают спуск промывочных труб, общую длину которых до начала промывки скважины определяют по формуле:

l=H3-l0 (4).

где H3 — глубина верхнего уровня пробки, м; l0 — минимальное расстояние между башмаком промывочных труб и верхним уровнем пробки, необходимое, чтобы избежать посадки труб в пробку (l0=15—20 м, принимаем l0=15 м). Тогда.

l=1730—15=1715 м.

Задача 2. По условиям предыдущей задачи определить глубину установки ПУ-1, если в эксплуатационной колонне диаметром 168 мм выше отверстий фильтра имеется дефект на глубине 1505 м.

Решение. Определим длину промывочных труб, спускаемых в скважину до присоединения к ним промывочного устройства:

l3=(H-H4)+l0' (5).

где Н4 — глубина местонахождения дефекта в эксплуатационной колонне, м; l0'— расстояние от ПУ-1 до дефекта колонны, обеспечивающее безопасное ведение работ по промывке скважины от пробки, м (l0'=20−25 м, принимаем l0' =20 м). Тогда по формуле (5) будем иметь:

l3= (1800—1505) + 20 = 315 м.

Определим общую длину труб, спускаемых в скважину перед началом промывки:

l3= (1800—1505) + 20=315 м.

Технологический расчет Задача 3. Произвести гидравлический расчет промывки скважины для удаления песчаной пробки. Определить: 1) давление на выкиде насоса; 2) давление на забое скважины; 3) необходимую мощность двигателя; 4) время на промывку скважины для удаления пробки и 5) разрушающее действие струи при промывке скважины.

Исходные данные: глубина скважины H=1800 м; диаметр эксплуатационной колонны D=168 мм; диаметр промывочных труб d=73 мм; максимальный размер песчинок, составляющих пробку, д=0,45 мм; глубина фильтра скважины 1785−1755 м; уровень песчаной пробки равен 1730 м.

Для промывки используется насосная установка УН1Т=100Х Х200.

В таблице 1.1 приведена характеристика насоса НП-100ХЛ1 насосной установки УН IT-100X200 при частоте вращения вала двигателя, равном 1070 об/мин, общем коэффициенте полезного действия з=0,8 и диаметре плунжера, равном 125 мм.

Прямая промывка водой Решение.

1) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении жидкости в промывочных трубах диаметром 73 мм по формуле:

(1).

где л — коэффициент трения при движении воды в трубах (данные приведены ниже); dB — внутренний диаметр промывочных труб, мм; vHскорость нисходящего потока жидкости, м/с.

По графику 1, или по таблице 2 путем интерполирования находим скорости нисходящего потока воды при соответствующей подаче насоса, т. е.

Подача VH.

на I 3,8 дм3/с l, 26 м/с.

II 5,6 дм3/с 1,85 м/с Ш 8,4 дм3/с 2,78 м/с.

IV 12,9 дм3/с 4,27 м/с Ниже приведены коэффициенты гидравлического сопротивления.

Диаметр труб, мм … 48 60 73 89 102 114.

л … 0,040 0,037 0,035 0,034 0,033 0,032.

Подставив численные значения величин, входящих в формулу (1), находим потери напора h, при работе установки на IV скоростях:

2) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении смеси жидкости с песком в затрубном пространстве скважины по формуле:

(2).

где ц — коэффициент, учитывающий повышение гидравлических потерь напора в результате содержания песка в жидкости. Находится в пределах 1,1 —1,2, принимаем ц=1,2; л — коэффициент трения при движении воды в затрубном пространстве, определяется по разности диаметров 168 мм (Dв=150 мм) и 73 мм (dH=73 мм) труб: 150−73=77 мм, что почти соответствует внутреннему диаметру 89-мм труб, для которых л=0,034; dH—наружный диаметр промывочных труб; vв — скорость восходящего потока жидкости в затрубном пространстве, м/с (определяем по графику 2).

Для расходов жидкости на I, II, III и IV скоростях насосной установки УН1Т-100Х200 по графику 2 находим соответствующие значения скоростей восходящего потока для 73 мм промывочных труб, спущенных в 168 мм колонну: они равны v’в=0,28; v''в =0,41; v'''в =0,62; vIVв=0,96 м/с.

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (2), получим потери напора h2 при движении жидкости с песком в затрубном пространстве:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

3) Определяем потери напора на уравновешивание столбов жидкости разной плотности в промывочных трубах и в затрубном пространстве по формуле К. А. Апресова:

(3).

где т — пористость песчаной пробки (принимаем равной 0,3); F — площадь проходного сечения 168-мм эксплуатационной колонны (F=177 см2); l — высота пробки промытой за один прием (длина двухтрубки равна 14 м); f — площадь поперечного сечения кольцевого пространства между 168-мм и 73-мм трубами (f=135 см2); рп — плотность зерен песка (рп=2600 кг/м3); рж — плотность промывочной жидкости — воды (рж=1000 кг/м3); Vкр — скорость свободного падения песчинок в воде для песчинок размером д=0,45 мм равна 4,90 см/с; Vв — скорость восходящего потока жидкости, см/с.

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (3), находим потери напора h3 при работе установки:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

4) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления в шланге и вертлюге при движении воды. Эти потери находим по таблице 5 путем интерполирования.

Потери напора, возникающие в шланге h4 и вертлюге h5, составляют в сумме при работе:

на I скорости (h4+h5)I=7,2 м;

на II скорости (h4+h5)II =15 м;

на III скорости (h4+h5)III=31,8 м;

на IV скорости (h4+h5)IV=128 м.

5) Находим потери напора h6 на гидравлические сопротивления в 73-мм нагнетательной линии от насоса агрегата до шланга. Принимаем длину этой линии l=50 м. Тогда по формуле (1) находим потери напора:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

6) Определяем давление на выкиде насоса (в МПа):

(4).

где — сумма потерь, м.

Подставляя значения, имеем:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

7) Определяем давление на забое скважины при работе установки:

(5).

где Н — глубина скважины, м.

Подставляя данные в формулу (5), получим давление на забое скважины:

8) Определяем мощность, необходимую для промывки скважины от песчаной пробки, по формуле.

(6).

где за — общий механический к. п. д. насосной установки (принимаем равным за = 0,8).

Подставляя в формулу (6) полученные данные, будем иметь:

Из расчета видно, что так как насосная установка УН1Т-100Х200 имеет номинальную полезную мощность 83 кВт, то работа ее на IV скорости невозможна. Поэтому все дальнейшие расчеты будем вести для первых трех скоростей установки.

9) Определим коэффициент использования максимальной мощности насосной установки:

(7).

Подставляя данные в формулу (7), получим K установки:

на I скорости.

на II скорости.

на III скорости.

10) Определим скорость подъема размытого песка, который находится как разность скоростей:

(8).

Подставляя фактические данные в формулу (8), получим значения скоростей подъема:

на I скорости на II скорости на III скорости.

11) Определим продолжительность подъема размытой пробки после промывки скважины на длину колена (двухтрубки) до появления чистой воды по формуле:

(9).

Итак, продолжительность подъема песка:

12) Определяем размывающую силу (силу удара) жидкости по формуле:

(10).

где Q — подача агрегата, дм3/с; f — площадь поперечного сечения струи жидкости, нагнетаемой в скважину, т. е. площадь поперечного сечения промывочных труб (для 73-мм колонны f=30,19 см2); F —площадь проходного сечения эксплуатационной колонны (для 168-мм колонны равна 177 см2).

Подставляя эти данные в формулу (10), получим значения Р:

Обратная промывка водой.

1) Определим потери напора на гидравлические сопротивления при движении жидкости в затрубном пространстве между 168-мм и 73-мм трубами по формуле:

(1).

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (1), будем иметь для работы агрегата:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

2) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении смеси жидкости с песком в 73-мм трубах по формуле:

(2).

где vв — скорость восходящего потока (равна скорости нисходящего потока vH при прямой промывке). Поэтому в расчетах воспользуемся значениями скоростей, определенных ранее по таблице 2 и по графику 1. Подставляя данные в формулу (2), получим значение h2 при работе агрегата:

3) Определяем потери напора на уравновешивание разности плотности жидкостей в промывочных трубах и в кольцевом пространстве по формуле К. А. Апресова, в которую вместо площади сечения кольцевого пространства подставляют площадь внутреннего сечения 73-мм труб, равную 30,19 см². Следовательно, имеем следующие значения h3 при работе агрегата:

Гидравлические потери напора в шланге и вертлюге при обратной промывке отсутствуют: h4+h5=0.

4) Определяем потери напора h6 на гидравлические сопротивления в нагнетательной линии. Они будут такими же, как и при прямой промывке:

h6I=2,28 м.

h6II=4,92 м.

h6III=11,11 м.

h6IV=26,23 м.

5) Определяем давление на выкиде насоса по формуле (4) при прямой промывке:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

6) Определяем давление на забое скважины по формуле (5) при прямой промывке:

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

7) Определяем мощность, необходимую для промывки скважины от песчаной пробки по формуле (6):

на I скорости.

на II скорости на III скорости на IV скорости.

Как видно из расчетов, работа на IV скорости насосной установки невозможна.

Сравнивая мощности, необходимые для промывки скважины от пробки при прямой и обратной промывках (на одной и той же скорости установки), можно убедиться, что соответствующие мощности при обратной промывке больше, чем при прямой.

8) Определяем коэффициент использования максимальной мощности насосной установки по формуле (7):

на I скорости.

на II скорости на III скорости.

9) Определяем скорость подъема размытого песка по формуле (8) при работе агрегата:

на I скорости на II скорости на III скорости.

10) Определяем продолжительность подъема размытого песка по формуле (9):

на I скорости.

на II скорости на III скорости.

11) Определяем, размывающую силу струи жидкости по формуле (10), в которую вместо f подставляем значение площади кольцевого пространства между 168-мм эксплуатационной колонной и 73-мм промывочными трубами (f — 135 см2):

на I скорости.

на II скорости на III скорости.

Определяя гидравлический расчет промывки скважины для удаления песчаной пробки, можно сказать, что обратная промывка водой является более эффективной, чем прямая промывка водой. Потому что, время на промывку скважины для удаления пробки уходит гораздо меньше, чем при прямой промывки, размывающая сила струи жидкости также меньше и сравнивая мощности, необходимые для промывки, можно убедиться, что мощности при обратной промывке больше, чем при прямой промывке. А коэффициент использования максимальной мощности установки при этом достигает- %, при прямой, он равен-%.