авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Гидродинамика двухфазных смесей в процессах бурения нефтяных и газовых скважин

-- [ Страница 3 ] --

При 0 = 0 формула (23) переходит в формулу Жюрена. Формула (23) также легко обобщается и на большее количество фаз.

Для горизонтального капилляра в основном уравнении гидростатики (20) отсутствуют гравитационные силы при 0 0 или 0 = 0. Из (20) при 0 = 0 также следует, что пока не преодолены капиллярные силы, то есть не создан градиент давления, превосходящий значения правой части уравнения, движения жидкости в капилляре не будет. Вода не обладает динамическим напряжением сдвига (0 = 0), поэтому предельный градиент сдвигу, возникающий при страгивании воды в пористых средах, необходим лишь для преодоления капиллярного сопротивления.

Законы гидростатики применены к задаче цементирования скважин стабильными пеноцементными растворами с использованием решений (22).

Цементирование скважин пеноцементными растворами

Расчёт цементирования скважин пеноцементными растворами позволяет оценить основные параметры его режима при постоянной и переменной степени газирования раствора. В основу расчёта положено выполнение условия поддержания требуемых свойств газожидкостной смеси (плотности, степени аэрации, переменной или постоянной) в КП скважины от устья или до наиболее “слабого” поглощающего пласта, в результате чего пластовое давление уравновешивается давлением столба газожидкостной смеси и исключаются поглощения.

Предполагается, что пеноцементный раствор – стабильная двухфазная система (жидкость+газ). Пузырьки газа в растворе распределены равномерно и непрерывно, давление в жидкой и газовой фазах равны. Растворимость газа в твёрдой и жидкой фазах и влияние температуры экзотермии при гидратации незначительны. Во время закачки и продавливания раствора в скважину относительные скорости в газожидкостной смеси отсутствуют.

В диссертации приведены решения следующих задач с целью выбора режимов работы цементировочных агрегатов (ЦА) и компрессоров при цементировании с переменной и постоянной степенью газирования:

а) без наличия в верхней части кольцевого пространства скважины столба из “чистого” (негазированного) цементного раствора;

б) при наличии в верхней части кольцевого пространства скважины столба “чистого” цементного раствора, обеспечивающего стабильность пеноцементного раствора и требуемые параметры пеноцементного камня.

На рис. 3 по результатам расчётов для первой задачи показаны характеристики работы насосов цементировочных агрегатов и компрессоров.

 Режимы работы насосов цементировочных агрегатов и компрессоров СД 9/101 во-33

Рис. 3. Режимы работы насосов цементировочных агрегатов и компрессоров СД 9/101 во времени: 1, 2 – расчётная и рекомендуемая ступенчатая подачи насосов ЦА; 3 – подача компрессоров; 4 – степень аэрации. Шаг аппроксимации по подаче насосов выбран согласно паспортной характеристике насосов 9Т.

В пятой главе рассмотрены задачи установившегося движения однофазных НЖ и ННЖ в элементах ЦС бурящейся скважины.

Основные уравнения установившегося движения в каналах ЦС следуют из общей системы уравнений (1) - (3), если в ней принять =1. Для полноты изложения даются методики расчёта как ламинарных, так и турбулентных течений НЖ и ННЖ с применением известных решений для ряда технологических задач бурения нефтяных и газовых скважин.

В частности, автором показано, что формула для коэффициента гидравлических сопротивлений при ламинарном течении ВПЖ в круглых каналах

(23)

в результате предельного перехода при 0 0 переходит в решение для НЖ

так как

Для ламинарного течения ВПЖ в круговой щели известное решение относительно расхода Q представлено в безразмерном виде

, (24)

где = 20./(Нр/r) > 0; Se = 0. r Н2/(|Q|) - число Сен-Венана для течения в круговой щели; Н – раскрытие щели; r – текущий радиус щели; – динамический коэффициент вязкости ВПЖ. График зависимости (25) показан на рис. 4.

 Кривая зависимости  = (Se) для круговой щели Следует заметить, что если  > 0,-38

Рис. 4. Кривая зависимости = (Se) для круговой щели

Следует заметить, что если > 0, то Q < 0. Этот случай соответствует притоку, если < 0 и Q > 0 - поглощению.

Для расчёта перепада давлений с использованием (25) следует вычислить число Sе = 0Н/(2v) при r = rк, из рис. 4 найти и определить перепад по формуле , где ; rк – радиус контура; rс – радиус скважины. Последняя формула преобразована к виду формулы Дарси-Вейсбаха и получен коэффициент гидравлических сопротивлений при течении в круговой щели ВПЖ, который переходит в коэффициент для течения НЖ при 0 0

(25)

Для развитого турбулентного течения ВПЖ в трубах получен коэффициент гидравлических сопротивлений, который переходит в коэффициент гидравлических сопротивлений по Альтшулю для НЖ при 0 0 (Не 0):

(26)

Известно, что переходный режим для НЖ наступает при критическом числе Рейнольдса Reкр = 2100. Основой для определения чисел Reкр для ВПЖ и степенных жидкостей (СЖ) является гипотеза, что при приближении свойств ННЖ к НЖ, кривые гидростатических сопротивлений приближаются к кривым гидравлических сопротивлений для НЖ. При очень больших числах Re жидкости с любыми физическими свойствами имеют одну асимптотическую область автомодельности гидравлических сопротивлений в гидравлически гладких трубах. Зависимость Блазиуса = 0,316Re-0,25 на графике Никурадзе (рис. 5) пересекает кривую ламинарного режима = 64/Re при числе Re = 1187 < Reкр = 2100, а точка пересечения является началом отклонения течения от ламинарного режима.

 Зависимости для коэффициента сопротивления в гидравлически гладких трубах: 1-44

Рис. 5. Зависимости для коэффициента сопротивления в гидравлически гладких трубах:

1 по Пуазейлю; 2, 2 переходный режим для НЖ и ВПЖ; 3, 4 – для турбулентного режима вязкой жидкости (Не = 0); 4, 5 для критических режимов; 6 по Букингему; 4, 7 для турбулентного режима ВПЖ в гладких трубах в зависимости от параметра Не

В дальнейшем для ВПЖ в качестве критической кривой принята линия 5 (см. рис. 5), соединяющая две предельные области, общие для НЖ и ВПЖ. Эта линия соединяет две точки: первая с координатами Reкр = 2100 и кр = 0,03048 соответствует началу переходного режима вязких жидкостей и является предельной для начала переходных режимов течений ВПЖ при приближении их свойств к вязким; вторая с координатами Reкр = 3,7105 и кр = 0,0128 определяет начало автомодельного режима течения жидкостей. Уравнение линии 5 имеет вид

(27)

Для ВПЖ при ламинарном течении зависимость коэффициента от чисел Re известна это формула (24). Подставляя в неё Re = Reкр, получаем формулу, связывающую кр, Reкр и параметры Не или Se

(28)

При Reкр 3,7105 можно принять кр = 0,0128.

Исключением кр из уравнений (29) и (28), и подстановкой Reкр в зависимость, которая связывает числа Re, Не и при течении ВПЖ в круглой трубе

,

получена система уравнений для определения критических чисел Reкр

(29)

В результате численного расчета системы (30) найдена зависимость Reкр = f(He), которая хорошо соответствует формуле, полученной Е.М. Соловьёвым при обработке теоретического и опытного материала по течению ВПЖ, включая буровые растворы, Reкр = 2100 + 7,3(Не)0,58.

Подставляя в (28) кр = 0,0128 и заменяя f = Se/8 при больших значениях He/Re её аппроксимацией f = 0,125He/Re, имеем Переходя к размерным величинам, получаем формулу Б.С. Филатова для критической скорости при автомодельном турбулентном течении в гладких трубах. При Не < 4104 эта формула становится неточной.

Таким образом, дано обоснование формул для критических чисел Рейнольдса при движении ВПЖ в круглых трубах и кольцевых каналах.

Проводя аналогичные рассуждения, в работе получены выражения для критических чисел при течении в трубах ( = 0) степенной жидкости (СЖ).

Подобные формулы для ВПЖ и СЖ можно получить и для кольцевого канала при 0, однако для кольцевых каналов недостаточно экспериментальных данных, чтобы подтвердить их. В этом случае в первом приближении можно пользоваться для определения чисел Reкр формулой Е.М. Соловьёва, подставляя в неё значение гидравлического диаметра dг = dс dн.

В шестой главе рассмотрены установившиеся изотермические течения двухфазных смесей в элементах ЦС.

Приводится постановка задач для двухфазных течений в различных элементах ЦС бурящейся скважины. Впервые дана постановка и решена задача двухфазного течения во всей ЦС с применением аэрированной промывочной жидкости.

Одномерные уравнения установившегося движения двухфазных смесей в элементах циркуляционной системы скважины. При установившемся ламинарном или турбулентном течении и при отсутствии фазовых переходов система уравнений (15) для газожидкостной смеси записана в виде:

уравнение движения

(30)

где знак плюс берётся для восходящего потока и минус – для нисходящего;

уравнения сохранения массы

, ; (31)

термодинамические уравнения состояния

; , (32)

где z, T - усреднённые значения коэффициента сверхсжимаемости и температуры по глубине скважины;

уравнение концентрации для первой фазы

; (33)

уравнение для коэффициента гидравлических сопротивлений смеси

. (34)

Вводя безразмерные переменные , , преобразуем уравнение движения (31) к виду

(35)

где - число Фруда; - массовый коэффициент аэрации; Q0, 0 - объёмный расход и плотность газа при нормальных условиях (Т0, р0); - расходный коэффициент аэрации.

Уравнение (36) можно также разрешить и относительно производной от истинного газосодержания

(36)

Дифференциальные уравнения (36) и (37) в работе использованы для вычисления распределения давления или газосодержания вдоль канала.

Для восходящего газожидкостного потока в трубах известно решение Шеберстова - Леонова, которое получено для системы уравнений (31)-(34) с использованием функции истинного газосодержания в виде

при ; при , (37)

где - расходное газосодержание.

Полученное ими решение сведено к соотношению

N = M + lgM, (38)

где М – некоторая линейная функция от искомого давления р, а N может быть вычислено по известным исходным данным.

Для нисходящего двухфазного течения автором диссертации предложена аппроксимационная формула для функции истинного газосодержания:

для 0,21 Fr 5; для Fr > 5. (39)

Коэффициент с для нисходящего потока несколько выше, чем для восходящего, принимается постоянным и равным в среднем 0,06.

Используя полученное значение для и подставляя в (40) значения чисел Fr и , опуская часть инерционного члена, уравнение движения записано в виде

, где

и получено его аналитическое решение

. (40)

В отличие от восходящего потока, когда правая часть уравнения движения всегда положительна, в нисходящем потоке возможен случай отрицательного градиента давления или равенства его нулю. Поэтому с ростом глубины скважины давление в нисходящем потоке может как убывать, так и возрастать. Это связано с наличием знака минус в уравнении движения (37). При этом течение может быть неустойчивым.

Чтобы удобнее пользоваться формулой (41) для нахождения на входе в трубы одного типоразмера, если известно давление на выходе, она сведена к уравнению относительно числа М, для нахождения которого построена номограмма (рис. 6)

, где ; (41) При  = 0 эта формула переходит в формулу (39) Графики для-79, где ; (41) При  = 0 эта формула переходит в формулу (39) Графики для определения-80;  (41) При  = 0 эта формула переходит в формулу (39) Графики для определения-81 (41)

 При  = 0 эта формула переходит в формулу (39) Графики для определения чисел М: а –-82

При = 0 эта формула переходит в формулу (39)

Рис. 6. Графики для определения чисел М: а – для случаев: 1 – 0 < N < 5 (за БТ, УБТ, турбобуром, в долоте), 2 – N < 5 в турбобуре), 3 - > 1, M00 < 0, -1,5 < N < 0 (внутри БТ, УБТ), кривые 1 и 2 построены в положительных координатах, кривая 3 – в отрицательных; б – верхнее семейство кривых: = 0 (за УБТ, БТ и турбобуром), 1, M00 > 0, (в УБТ и БТ); нижнее семейство кривых: 1, M00 < 0 (в УБТ и БТ) (см. рис. 1)

Последовательность расчёта давлений с помощью (42) следующая. По исходным данным (L, d1, d2, pт и т.д.) определяют числа ', M0, , N и знак числа М00 = М0-0,217. По соответствующей кривой рис. 6 находят число М. После вычисления числа М рассчитывают искомое давление , или в размерном виде .

Случай М0-0,217 = 0 соответствует значению градиента. При этом течение неустойчивое и при движении нисходящего потока давление по длине участка трубы данного диаметра не меняется (p = const).

На основе общего подхода автором получены методы расчёта и для других элементов ЦС с использованием номограммы (рис. 6). Представленная модель служит для расчётов распределения давления при изотермическом движении двухфазных смесей в элементах ЦС.

Одномерное установившееся неизотермическое течение двухфазных смесей. В общем случае не удаётся для таких задач найти аналитическое решение. Для удобства получения численного решения система уравнений (1) – (3) разрешена относительно градиентов давления и температуры в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений


(42)
.


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.