Гидравлический расчет промывки забойных песчаных пробок

Проведем гидравлический расчет промывки забойной песчаной пробки, для чего определим давление на выкиде насоса, необходимую мощность двигателя на забое скважины, время на промывку пробки и разрушающее действие струи. Сравним прямую и обратную промывку водой.

Исходные данные: глубина скважины Н=2800 м; диаметр эксплуатационной колонны D=168 мм; диаметр промывочных труб d=73 мм; максимальный размер песчинок (зерен), составляющих пробку, д=1 мм; песчаная пробка находится в эксплуатационной колонне выше фильтра. Промывка ведется промывочным агрегатом АЦ-32У, эксплуатационная характеристика которого приведена в таблице № 2.

Техническая характеристика агрегата АЦ-32У (полезная мощность двигателя 108,0 кВт).

Рисунок 3. Промывочный агрегат АЦ — 32 У.

Таблица 1 — Техническая характеристика агрегата АЦ — 32 У.

Прямая промывка водой

1. Потеря давления на гидравлические сопротивления при движении жидкости в 73-мм трубах определяется по формуле.

h=л, м вод. ст. (1).

где л — коэффициент трения при движении воды в трубах; d_В — внутренний диаметр промывочных труб, м; V_Н — скорость нисходящего потока жидкости, м/с, берется из таблицы 4.

В наших расчетах эти величины равны: л=0,035 (таблица 4);_В — 0,062 м;_Н III =2.32 м/с. Они найдены по таблице 3 путем интерполирования для расходов жидкости (при I, II, III и IV скоростях), равных 3,16; 4,61; 7,01; и 10,15 л/с.

Подставив численное значение в (таблице № 3) получим потерю давления на гидравлическое сопротивление h при работе агрегата на III^* скорости: =0,035Ч = 309 м вод.ст.

*- Вычисления делаем только для III скорости, т.к. конструктивные особенности насоса АЦ-32У не позволяют продолжительное время работать на I скорости, насос выйдет из строя, что недопустимо при промывке. Производительность насоса на II скорости недостаточна для создания восходящего потока, способного поднять промытый песок и наконец, работа агрегата длительное время на IV скорости приводит к перегреву двигателя.

Таблица 2 — Скорость нисходящего потока жидкости в промывочных трубах (V_Н, м/с).

Таблица 3 — Коэффициент гидравлического сопротивления л для воды.

Таблица 4 — Скорость движения жидкости в кольцевом пространстве (в м/с).

2. Потери давления на гидравлические сопротивления при движении смеси жидкости с песком в кольцевом пространстве скважины определяются по формуле:

h = ц л, м вод. ст. (2).

Здесь ц — коэффициент, учитывающий повышение гидравлических потерь давления в результате содержания песка в жидкости. Величина его колеблется от 1,1 до 1,2; принимаем ц=1,2; л — коэффициент трения при движении воды в кольцевом пространстве, определяется по разности диаметров 168-мм и 73-мм труб 150 — 73 = 77 мм (150 мм — внутренний диаметр 168-мм труб), что почти соответствует 89-мм трубам, для которых л=0,034 (смотреть таблицу № 5); d_Н = 0,073 — наружный диаметр промывочных 73-мм труб; V_В — скорость восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве, м/с (находят путем интерполирования по таблице № 6). Для расходов жидкости (при I, II, III и IV скоростях), равных 3,16; 4,61; 7,0; 10,15 л/с значения V_В^I, V_B^II, V_B^III, V_B^IV соответственно равны 0,276; 0,399; 0,610 и 0,880 м/с.

Подставляя численные значения в (таблице № 4), получаем величины h₂ при работе агрегата: на скорости III_{2 III} =.

1,2Ч0,034 = 20,1 м вод. ст.

Потери напора на уравновешивание столбов жидкости разной плотности в промывочных трубах и в кольцевом пространстве определяются по формуле К. А. Апресова:

h₃ =, м вод. ст. (3).

где m — пористость песчаной пробки; F — площадь сечения эксплуатационной колонны, см²; - высота пробки, промытой за один прием, м (длина двухтрубного колена); f — площадь сечения кольцевого пространства скважины, см²; с_П — плотность песка, кг/м²; с_Ж — плотность воды, кг/м³; V_КР — скорость свободного падения песчинок, см/с (критическая скорость), определяется по таблице 6; V_В — скорость восходящего потока жидкости, см/с.

В нашей задаче эти величины равны: = 12 м; f=135мм² (между 168-мм и 73-мм трубами); с_П = 2600кг/м³; с_Ж = 1000кг/м³; V_КР = 9,5 см/с (смотреть таблицу 6).

Следовательно, по формуле (3) имеем значение h₃ при работе агрегата: на скорости III.

h_{3 III} = =13,1 м вод.ст.

Таблица 5 — Критическая скорость падения песчинок V_КР

Потери давления на гидравлические сопротивления в шланге и вертлюге при движении воды определяются по опытным данным, приведенным в таблице 7. Потери напора, возникающие в шланге h₄ и вертлюге h₅, составляют в сумме при работе агрегата: на скорости III — (h₄ +h₅)_III = 22 м вод.ст.

5. Потери давления на гидравлические сопротивления в 73-мм линии =40м. Тогда по формуле (1) получим h6 при работе агрегата на III скорости:

_{6 III} = 0,035 = 6,2 м вод.ст.

Таблица 6 — Гидравлические потери напора в шланге и вертлюге.

6. Давление на выкиде насоса определяется суммой потерь, т. е.

Р_н = h₁+ h₂₊ h₃₊ h₄₊ h₅₊ h₆, м вод.ст. (4).

Выражая Р_н в МПа, имеем Р_н = с_Жq (h₁+ h₂₊ h₃₊ h₄₊ h₅₊ h₆), МПа (5).

Р_н III = 1000Ч9,81(309+20,1+13,1+22+6,2) = 3,64 МПа;

Давление на забое скважины Р_З = с_Жq (Н+ h₂₊ h₃), МПа (6).

Где Н — глубина скважины, м по формуле (6) имеем р_З при работе агрегата на III скорости:

Р_З = 1000Ч9,81(2800+20,1+13,1) = 19,9 МПа;

Мощность, необходимая для промывки песчаной пробки, определяется по формуле:

N = р_Н Q/10³з_а, кВт, (7).

Где з_а =0,65 — общий механический К.П.Д. агрегата Пользуясь формулой (7), получим N (в кВт) при работе агрегата на III скорости:

N_III = 3,64Ч10⁶Ч7,01Ч10^-3/10³Ч0,65 = 39,2;

Агрегат АЦ-32У имеет полезную мощность двигателя 108 кВт, а потому работа его на IV скорости невозможна.

Коэффициент использования максимальной мощности промывочного агрегата К определяется из соотношения К = Ч100% (8).

По формуле (8) имеем величину К при работе агрегата на III скорости:

К_III = 100 = 35,6%.

Скорость подъема размытого песка V_П определяется как разность скоростей.

_П= V_В — V_КР (9).

По формуле (9) имеем V_П при работе агрегата на III скорости:_П III = 0,610 — 0,095=0,515 м/с Продолжительность подъема размытой пробки после промывки ее каждым коленом до появления чистой воды определяется по формуле:

T = Н/V_П (10).

По формуле (10) имеем t при работе агрегата на III скорости:

t_III = 2800/0.515 = 3890 c = 1ч 6мин Размывающая сила струи жидкости. Силу удара струи промывочной жидкости можно определить по следующей формуле:

Р = 2Ч10² кПа (11).

Где Q — подача агрегата, л/с; f_Ц — площадь поперечного сечения струи жидкости, нагнетаемой в скважину, см², F — площадь проходного сечения эксплуатационной колонны, см². В нашей задаче эти величины равны: f_Ц=30,2 см² (для 73-мм колонны); F=177 cм² (для 168-мм колонны).

Следовательно, по формуле (11) имеем силу струи Р при работе агрегата на III скорости:

Р_III =2Ч10² =1,84 кПа.