Проявления скважин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 РАСЧЕТНАЯ  ЧАСТЬ

5.1 Расчет клиновой задвижки с выдвижным шпинделем

Прежде чем  проводить расчёт запорных устройств, необходимо задаться исходными параметрами.

р – условное давление, принимаем равным 35 МПа;

D_в – внутренний диаметр уплотнительного кольца, принимаем равным 84 мм;

D_н – наружный диаметр уплотнительного кольца, принимаем равным 104 мм;

b – ширина уплотнительного кольца, принимаем равной 10 мм;

h – высота сальника, принимаем равной 8,4 мм;

R_с – средний радиус опорного заплечика втулки или радиус до центра шариков подшипника, принимаем равным 38 мм;

r_с – средний радиус резьбы, принимаем равным 13,03 мм;

Наибольшее осевое усилие на шпинделе возникает в момент закрытия задвижки, когда со стороны входа среды действуют следующие силы:

       Сила гидростатического давления среды:

,       [3, c. 114 ]                                   (1)

где,  р – условное давление;

        D_в – внутренний диаметр уплотнительного кольца;

        b – ширина уплотнительного кольца;

      Подставим исходные данные и получим:

.

       Реакция N₁ уплотнительной поверхности корпуса со стороны входа среды, которую рассчитывают по обеспечивающей герметичность удельной нагрузке на уплотнительной поверхности:

,     [3, c. 114]                                  (2)  

где,    D_н – наружный диаметр уплотнительного кольца;

q примем равной 8,75 МПа.

.

        Сила трения:

;    [3, c. 114]                                        (3)

где,    f – коэффициент трения на уплотнительной поверхности (примем f=0,15);

.

В момент закрытия шибер прижимается к уплотнительной поверхности со стороны входа среды под действием сил Р, N₁ , F₁ и на уплотнительной поверхности со стороны выхода среды возникают реакция N₂ и сила трения , действующие на шибер. На него также действуют сила давления шпинделя Q и сила тяжести G, направленные по оси y – y.

       Из условия равенства нулю суммы проекций на ось x – x всех сил, действующих на шибер,

;

,     [3, c. 115]                          (4)

Принимают α = 5⁰, поэтому, учитывая малую величину sinα, полагают

,          [3,c. 115]                                      (5)

Подставим имеющиеся  значения

.

        Усилие Q_к, которое нужно приложить к оси шпинделя для преодоления сил, действующих на шибер, определяют из условия равенства нулю суммы проекций на ось y – y всех сил, действующих на шибер:

;  [3, c. 115]        (6)                                   

Учитывая, что  , получаем:

;     [3, c. 115]         (7)                                  

или при α = 5⁰ и f = 0,15

,           [3, c. 115]                         (8)

Так как G мы измерить не можем, то принимаем её равной 394,94 Н, тогда:

.

         Усилие на шпинделе, необходимое для преодоления трения в сальниках, равно:

,          [3, c. 115]                            (9)

где,    d_ш – диаметр шпинделя, d_ш = 32 мм;

          h – высота сальника h = 8,4 мм;

         f = 0,1 – коэффициент трения;

Усилие на шпинделе от внутреннего давления на торец шпинделя:

,                  [3, c. 115]                           (10)

Подставив значения, получим:

.

Следовательно, суммарное  осевое усилие, сжимающее шпиндель:

.

Момент трения, возникающий  в резьбе:

,                 [3, c. 115]                           (11)

где,  r_c – средний радиус резьбы;

        α₁ – угол подъёма нарезки;

        φ = 6⁰ – угол трения;

          Крутящий момент M, который необходимо приложить к маховику, чтобы закрыть задвижку, складывается из момента трения в резьбе M₁ и момента трения в подшипнике втулки шпинделя M₂:

,                  [3, c. 117]                            (12)

Момент трения в подшипнике втулки:

,          [3, c. 117]                            (13)

где,    R_c – средний радиус опорного заплечика втулки, или радиус до центра шариков подшипника;

          f – коэффициент трения (f = 0,1 – 0,15 для опоры скольжения и

f = 0,01 для опоры качения), принимаем f = 0,12;

.

.

        Уплотнительные кольца шибера и корпуса рассчитывают на удельное давление. Наибольшая сила прижатия на уплотнительных поверхностях N₂ возникает со стороны выхода среды. Давление на уплотнительных поверхностях:

,      [3, c. 117]                            (14)

 где,  D_н и D_в – внутренний и наружный диаметры уплотнительного кольца.

Для колец из коррозионностойкой стали удельное давление не должно превышать 40 – 60 МПа, для колец из бронзы - 16 МПа, для колец, наплавленных твёрдым сплавом, - 60 МПа.

 

5.2 Расчет циркуляционной системы

Определим потери давления в циркуляционной системе.

Диаметр бурильных труб:  D_БТ=146 мм с толщиной стенки δ=9 мм;

Обвязка буровой:  диаметр стояка  D_СТ=168 мм,

                                диаметр ведущей трубы  D_ВТ=140 мм;

Общие потери слагаются  из потерь в каждом элементе системы  кругового движения промывочной  жидкости в процессе бурения:

 P = P_ТР + P_КП + P_З + P_Д + P_НЛ + P_турб       [7, c. 205]                      (15) 

Подача давления в бурильных трубах:

P_ТР=α_ТРρQ²L = 520*10^-8*1200*0,055²*1950 = 0,036 Па    [7, c. 205]             (16)

где, α_ТР – коэффициент, пропорциональный коэффициенту сопротивления

ρ – плотность промывочной жидкости, кг/м³; ρ=1200 кг/м³;

Q – расход жидкости , м³/с; Q=0,055 м³/с ;

L – длина колонны бурильных труб, м;

L = 2000 - l_УБТ = 2000-50 = 1950 м         [7, c. 205]             (17)

Потери давления в одном замковом соединении:

P_З = α_З ρQ² = 2*10^-5*1200*0,055² = 7,2*10^-5 Па       [7, c. 205]             (18)

Во всех замковых соединениях при среднем расстоянии между ними 10 м потери давления будут:

ΣP_З = P_З = (7,2*10^-5)* =0,014 Па       [7, c. 206]             (19)

Потери давления в утяжелённых бурильных трубах:

P_УБТ = α_УБТ ρQ²l_УБТ = (2,24*10^-5)*1200*0,055²*50 = 0,004 Па     [7, c. 206]         (20)

  где, l_УБТ = длина УБТ, м; l_УБТ = 50 м;

Потери давления в кольцевом пространстве:

P_КП = α_КП ρQ²L = (50*10^-8)*1200*0,055²*2000 = 0,0036 Па    [7, c. 206]        (21)

  где, α_КП – табличный коэффициент

Потери давления в обвязке вычисляются как  сумма потерь давления в отдельных  её элементах.

Для этого необходимо вначале определить коэффициент  потерь давления в обвязке:

α_НЛ = α_СТ α_ВЕРТ α_ВЕД.ТР. = 0,0004 + 0,0024 + 0,0009 = 0,0034    [7, c. 207]         (22)

Далее с учетом данного коэффициента определяют потери давления:

Р_НЛ = α_НЛ*ρ*Q² = 0,0034*1200*0,055² = 0,0123 Па    [7, c. 207]         (23)

Потери давления в долотных отверстиях:

Р_Д = α_Д ρQ² = (440*10^-5)*1200*0,055² = 0,0159 Па     [7, c. 207]         (24)

Суммарные потери давления в циркуляционной системе  буровой установки находятся  как сумма потерь во всех ее элементах:

         Р_ГП = P_ТР + P_КП + ΣP_З + P_УБТ + Р_НЛ + Р_Д = 0,036 + 0,0036 + 0,014 + 0,004+ + 0,0123 + 0,0159 = 0,086 Па                                                     [7, c. 208]         (25)                   

        Давление на выкиде насоса в случае турбинного способа бурения определяется как сумма потерь в циркуляционной системе и перепада давления на турбобуре:

P = P_ГП + P_турб = 0,086 + 0,064 = 0,15 Па      [7, c. 208]         (26)

где , P_турб – перепад давления на турбине турбобура, определяется по таблице, в данном случае значение будет P_турб = 0,064 Па

Определим количество бурового раствора для выноса частиц выбуренной породы.

Минимальное значение подачи промывочной жидкости:

Q_min = 0,785*10³(

-D²)v_min = 0,785*10³(0,295² – 0,146²)1,1 = 56,5 л/с =

= 0,056 м³/с                                                                                [7, c. 208]         (27) 

где, v_min – минимальная скорость восходящего потока промывочной жидкости, при которой ещё не наблюдается сальникообразования на элементах бурильной колонны (долоте, переводнике турбобура и замках бурильных труб) и загрязнения ствола скважины; v_min = 1,1 м/с;

D_Д – диаметр долото;  D_Д = 295 мм;

D – диаметр бурильных труб; D = 146 мм;

Следовательно, производительность насосов не должна быть меньше 0,056м³/с

Определим количество промывочной жидкости для выноса частиц выбуренной породы

Скорость подъёма частиц породы в кольцевом пространстве;

 м/с            [7, c. 209]         (28)

    где, H – глубина скважины; H=2000 м;

       T – время выноса частицы породы; T = 5ч

Скорость погружения частицы в промывочной жидкости, определяемая при отсутствии движения жидкости; м/с;

   [7, c. 209]         (29)

где,  K – коэффициент, зависящий в основном от формы частицы (табличное значение); K = 0,159   

        d_ч – диаметр частицы; d_ч = 10мм;

        – плотность породы; = 2600 кг/м³;

        – плотность глинистого раствора; = 1200 кг/м³;

        α – коэффициент, зависящий от площади поперечного сечения    кольцевого пространства, вращения бурильных труб и т.д.; α = 1,13;

Определяется  скорость восходящего потока, м/с:

v = c+αu = 0,278 + 1,13*0,544 = 0,892 м/с      [7, c. 209]         (30)

  Расход промывочной жидкости будет:

Q = 0,785*10³( - D²)v = 0,785*10³(0,295² – 0,146²)*0,892 = 47 л/с = 0,047м³/с

[7, c. 209]         (31)

где, D_скв – диаметр скважины; D_скв = 295 мм;

      D – наружный диаметр бурильных труб; D = 146 мм;

Определим временя выноса частиц с забоя на поверхность.

  Продолжительность движения частиц от забоя до устья скважины определяется:

Т=H/60*c=2500/60*0.60=69 мин        [7, c. 209]         (32)

 где  c – скорость подъёма частиц в кольцевом пространстве:

c=υ-au=1,32-1,13*0,64=0,6 м/с           [7, c. 209]         (33)

α=1,13 – коэффициент, зависящий от площади сечения кольцевого пространства

        v – скорость восходящего потока промывочной жидкости:

v =       [7, c. 210]         (34)

         F_K – поперечное сечение кольцевого пространства между бурильными трубами и стенками скважины:

            [7, c. 210]         (35)

u – скорость погружения частицы в промывочной жидкости:

 

  [7, c. 210]         (36)

где, K=0,159 – коэффициент, зависящий от формы частиц                               

         Следовательно, чтобы при данных условиях после прекращения бурения все частицы породы размером менее 15 мм были вынесены на дневную поверхность, необходимо вести промывку более 1 часа.

         Определим наибольшего размера выносимых частиц выбуренной породы.

        частицы породы, удерживающейся во взвешенном состоянии, мм:

                          [7, c. 210]         (37)