книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПГОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

ем ЮЛ. Логачева) методику выбора оптимальных сочетаний числа и диа­ метров насадок для конкретных геолого-технических условий бурения.

Стендовыми испытаниями предполагалось решение задач:

-экспериментальное определение величин коэффициентов расхода упомянутых выше элементов промывочного узла долот;

-оценка влияния условий истечения и конструктивных особенностей проточной части коротких насадок на величину их коэффициентов расхода;

Цели испытаний:

•повышение точности расчетов перепада давления на долоте и на­ чальных гидродинамических давлений струй;

•обоснование требований к конструктивному оформлению высоко­ совершенных в гидравлическом отношении промывочных узлов долот и определение возможностей минимизации габаритных размеров насадок без ущерба для их качества.

Прежде, чем приступить к изложению и анализу результатов стендо­ вых испытаний, проанализируем распределение потерь давления для слу­ чая применения в долоте равноразмерных насадок, когда скорости истече­ ния струй v„ из разных насадок одинаковы и перепад давления на долоте

ри равен перепаду давления в промывочном канале р,„ . Перепад давления на долоте в этом случае будет равен:

			(4.2.1)
где	v„ и v„ - соответственно скорость потока в подводящем канале и мак­
симальная скорость в наиболее узком сечении насадки;
		и	- коэффициенты “местных” сопротивлений подводящего ка­
нала и		насадки;
ц„		- коэффициент восстановления давления (коэффициент обратного
превращения			в насадке части скоростного напора v\,p /2 в давление);
р	-	плотность бурового раствора.
После замены v„ =v0f„ / f n (из условия постоянства расхода жидкости
через канал) получим выражение:
			(4.2.2)
где / ,		и /„ -	площади сечения отверстий насадки и подводящего канала.

С другой стороны -

(4.2.3)

где рл - коэффициент расхода промывочной системы долота. В результате получаем

131

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

		-0,5
V	Г	(4.2.4)
	-/»	/

В общем случае промывочный узел долота состоит из двух участков: участка сужения потока (включая сужение при входе в подводящий ка­ нал) , на котором и происходит основное превращение потенциальной энергии в кинетическую, и выходного участка, чаще всего цилиндриче­ ского, расположенного после самого узкого сечения, который призван выравнить профиль скоростей струи на выходе из насадки.

Третья и четвертая слагаемые в скобках формулы (4.2.4) выражают по­ тери давления на первом участке и потому всегда больше нуля. Что каса­ ется //„ , то этот коэффициент зависит от наличия и формы второго участ­ ка, и он заведомо равен нулю в двух случаях: когда нет второго участка (цилиндрического спрыска) или когда нет за насадкой давления . Поэтому в оговоренных случаях д() заведомо должен быть меньше 1. Для того, что­ бы коэффициент расхода д,> стал больше 1, необходимо выполнение усло­ вия:

(4.2.5)

что возможно, в свою очередь, при одновременном соблюдении двух усло­ вий: наличия за насадкой давления, равного или превышающего величину “возвращаемого” давления, и наличия в насадке условий для полного или частичного превращения скоростного напора в давление (например, нали­ чие раструба - диффузора - после наиболее узкого сечения и цилиндриче­ ского участка). Итак, если струя из насадки истекает в среду с “достаточ­ ным” противодавлением и если при этом выходное сечение насадки боль­ ше самого узкого сечения в ней, а потери давления в промывочном канале в целом меньше “восстановленного” давления, то д,, вполне может стать больше 1. В общем случае, следовательно, если коэффициент расхода оп­ ределяется по самому узкому сечению в промывочном канале, дл может быть как меньше, так и больше 1.

Существует еще одна “причина”, влияние которой приводит либо к завышению величины д,), либо к превышению ею единицы. Причина эта сугубо методическая, потому что сводится к различиям в методике опре­ деления д,). Суть различий покажем на примере коротких насадок. Дело в том, что они имеют относительно высокие значения коэффициента рас­ крытия р \ равного отношению диаметра выходного сечения к диаметру входного. Последний диаметр в гидромониторных долотах равен диаметру подводящего канала. Это означает, что, строго говоря, полное давление перед насадкой состоит из двух частей: собственно давления и скоростного напора (по более строгой терминологии - “гидродинамического давления") в подводящем канале, величина которого составляет значительную часть

132

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОГ

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

полного давления. У длинных насадок /?*, как правило, меньше 0,2, и по­ тому без ущерба для точности измерений и определения коэффициента расхода можно пренебречь кинетической частью энергии потока перед на­ садкой и измеренный перепад давления на такой насадке р„ш принимать в качестве меры полного давления. При испытании коротких насадок такой подход не допустим, так как это приводит к искусственному занижению величины преобразуемой в насадке энергии (вместо полного давления бе­ рется только измеренный перепад давления) и, как следствие, - к завыше­ нию . Более того, при этом р„ становится функцией /? , что лишает его однозначности и возможности быть характеризующим насадку парамет­ ром. Типичным примером такого подхода к определению коэффициента расхода являются работы [8, 151, 152]. Напротив, в работе [4] коэффици­ ент расхода определяется через полный напор, с добавлением к измерен­ ному перепаду давления скоростного напора перед отверстием или насад­ кой. Расхождение в рекомендуемых различными авторами величинах ко­ эффициента расхода отверстий и насадок [8, 13, 83,100, 151, 153] во мно­ гом объясняется именно тем, что в понятие “коэффициент расхода насад­ ки” различные исследователи вкладывают разный смысл.

Для обеспечения однозначности р„ необходимо определять через “полный напор” . С учетом конструктивных особенностей испытательного стенда (рис. 4.1.1) д„ вычисляли по формуле

6л/03р

	0,5 Q 2p	(4.2.6)
f J P .
	f 2

полученной на основе баланса давлений при движении жидкости через стенд (с установленной насадкой):

Рш» + v„2p / l = v„2p / 2р„\

Измеренный перепад давления р,0„ определялся из соотношения:

Р и гм ” Р я х “ Р и д “ ,

где р,1Х и р,„) - соответственно показания манометров на входе в стенд и выходе из него, а р„,Ш1 - потери давления в стенде, определяемые при та­ рировке его (гидравлическом испытании) без установки насадок.

Объектами испытаний были:

1.“Цилиндрические” насадки с “острым” (без фаски или закругления) входом в цилиндрический канал (рис. 4.2.1 в, 6 ). Внутри группы насадки отличались относительной длиной насадки: отношением длины цилиндри­ ческого отверстия 1Цк диаметру отверстия d„ .

2.Конические насадки без плавного сопряжения конической поверхно­

сти с цилиндрической (рис. 4.2.2а, б). Внутри группы насадки отличались углом конуса < , наличием (или отсутствием) цилиндрического участка на входе и длиной цилиндрического участка на выходе (цилиндрического

133

4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

спрыска) /ч. Необходимость в устройстве цилиндрического участка на вхо­ де возникала, когда задавались большими <р и относительно малыми 1Ц, а длина насадки при этом оставалась неизменной.

3. Конические насадки, имеющие плавное сопряжение поверхностей с

разными радиусами скругления (рис. 4.2.2л, б), которые так же, как и на­

садки второй группы имели разные <р и 1Ц.

4.Насадки с криволинейным профилем, заканчивающимся цилиндри­ ческим спрыском: эллиптическая, радиальная и бирадиальная (коноидальная). Показаны на рис. 4.2.3а, б, в.

5.Насадка с “профилем естественного износа”, воспроизводящая про­ филь, который формируется через определенное время при прокачке через стальную цилиндрическую насадку абразивной жидкости, например, гли­ нистого раствора, содержащего песок (рис. 4.2.3е).

6.Насадки минералокерамические удлиненные.

7.Гидромониторное долото, оснащенное либо специально изготовлен­ ными стальными насадками, либо стандартными минералокерамическими.

Насадки третьей, четвертой и пятой групп можно отнести к одному классу “плавных” насадок, у которых профиль сужения составлен из по­ верхностей, плавно сопрягающихся между собой, в том числе с цилиндри­ ческим спрыском.

Все насадки первых четырех групп изготовлялись из стали и имели одинаковую длину - 20 мм. В редких случаях, когда запланированный профиль не “вписывался” в длину 20 мм, например, при /р - 14°, насадка имела длину, превышающую 20 мм.

Насадка с “профилем естественного износа” отличалась от всех ос­ тальных тем, что была самой короткой, имела длину, равную 11 мм.

Всего испытано 46 различных вариантов насадок, отличающихся или типом профиля (конический без сопряжения поверхностей канала, кониче­ ский с сопряжением, эллиптический и т.п.), или длиной цилиндрического участка, или углом конуса на участке сужения. Описания этих насадок да­ ны в Приложении. Кроме того, испытаны четыре варианта промывочного узла гидромониторных долот, в том числе долота без насадок.

Во всех опытах критерий Re на срезе насадки был не менее 0,7. 10й и чаще всего находился в пределах 0 ,9 .10е ... 1,1. 10б , что дает право отно­ сить результаты к области турбулентной автомодельности.

134

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Рис. 4.2.1. Насадки цилиндрические с остроугольным входом:

а- короткая (диафрагма);

б- длинная (длина больше диаметра отверстия).

Рис. 4.2.2. Конические насадки без плавного сопряжения конического и цилиндрического поверхностей:

а - без цилиндрического входа; б - с цилиндрическим входом.

Технические характеристики описанной в разделе 4.1 опытной уста­ новки позволяли проводить испытания насадок и исследование струй в ус­ ловиях, воспроизводящих натурные как по размерам насадок, так и вели­ чинам перепада давления на долоте и в среде истечения. В этой ситуации установление влияния абсолютного давления среды в тупике, в который истекает сформированная насадкой струя, на коэффициент расхода насад­ ки д„ или промывочного узла долот является важнейшей методиче­ ской задачей.

135

4.Ж <ПЕРИМЕНГАЛЬНЫ Е ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Влияние давления в среде истечения струи (в дальнейшем - “противодавления”) на коэффициент расхода насадок изучали Сиов Б.Н.

[153],	Курнев Е.М.[83].
Б.Н. Сиов исследовал
влияние противодавления
на истечении жидкости из
цилиндрических				и про­
филированных				насадок
при давлениях на входе не
более	1 МПа и,		в частно­
сти, обнаружил, что:
	-д ля	цилиндриче­
ских	насадок		величина
ц„ изменяется в пределах
0,62...0,82 в зависимости
от соотношения				давле­
ний до и после насадки;
	- зависимость ц„ от
противодавления				на­
блюдается		и	у	кониче­

	ских насадок	без сопря­	Рис. 4.2.3. Насадки с "плавным" профилем
	жения элементов профи­ проточной части:
	ля канала;		а -	эллиптическая;
			б -	радиальная;
	- существует пре­
			в -	бирадиальная (коноидальная);
	дельное (критическое)
			г -	насадка с профилем "естественного из­
	соотношение	давлений

до и после насадки, вы­	носа".
ше которого //„ = const.
Е.М. Курнев, проводя

стендовые исследования гидроэлеваторов для применения в глубоких скважинах обнаружил, что при истечении через конические насадки без скругления профиля = 1,03...1,05.

Т.М. Башта [13] приводит экспериментальные данные исследования истечения через цилиндрическую насадку диаметром 0,98 мм при различ­ ных значениях противодавления: величина увеличивается от 0,62 (при истечении в атмосферу) до 0,87 - (при истечении в жидкости с давлением 4 МПа).

Как видим, имеет место противоречивость известных из литературы данных как по особенностям влияния противодавления на цт так и по его величине.

Первые же проведенные с участием одного из авторов испытания ци­ линдрических и конических насадок показали (результаты их приведены в работах [119, 23] и здесь они даются в кратком изложении), что существу­

136

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛО Г

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

ет критическое значение отношения абсолютного давления среды р„м1 к начальному гидродинамическому давлению струи р„ в выходном сечении насадки р„а кр = р„ т, / р„ , при превышении которого коэффициент расхода

насадки рпостается постоянным. В интервале	0 < р„\, < р „ ч, коэффи­
циент р„ увеличивается от ри„ до некоторого	“стандартного” значения

риа„ . Стендовые испытания показали, что для конических насадок без со­ пряжения конической и цилиндрической поверхностей (в дальнейшем для краткости: “коническая насадка без скругления”) р„'Лкр= 0,4, а для цилин­ дрических - 0,85. Исходя из этого все последующие исследования с це­ лью определения стандартных значений рнхт для различных насадок, имеющих сужающийся канал (не цилиндрических), проведены при р„',, ■ 0,5 (чаще всего при р„ Л > 0,7) , что заведомо больше р„\,ч, для любых возможных вариантов насадок с сужающимся профилем.

Тот факт, что у конических насадок без скругления р„ зависит от дав­ ления в среде истечения, означает, что если бы такие насадки применялись до некоторой глубины, то р„ был бы переменной величиной, зависящей от глубины бурения. Предположим, что планируемый перепад давления /а, равен 10 МПа. Тогда р ^ кр= 0,4р„ = 4 МПа, что приблизительно соответст­ вует глубинам 360...380 м (в зависимости от плотности жидкости и потерь давления в заколонном пространстве). Следует однако оговориться, что описанный эффект, как будет показано дальше, минимален у насадок с плавным профилем и потому нет практической необходимости вносить поправку величины р„ с учетом глубины бурения.

Особенностью испытательного стенда было то, что давление на входе в стенд практически не зависело от величины противодавления (в связи с малыми расходами жидкости через стенд по сравнению с номинальной по­ дачей центробежного насоса). В этих условиях увеличение противодавле­ ния всегда сопровождалось уменьшением перепада давления на насадке. В процессе исследования влияния противодавления на р„ цилиндрических и конических насадок без скругления был обнаружен интересный факт: рас­ ход жидкости через насадку оставался постоянным, если соблюдалось ус­ ловие 0 < р„ „ < р„ ,1кр . Иначе говоря, расход не изменялся (насадка ста­ новилась идеальным регулятором постоянства расхода, либо регулятором постоянства давления перед насадкой, если Q = const), несмотря на увели­ чение противодавления. Это означало, что происходящее при увеличении противодавления возрастание рн “восстанавливало” пропускную способ­ ность насадки ровно настолько, что расход Q оставался неизменным.

Параллельно с испытанием насадок в условиях наличия достаточного противодавления проводились испытания при минимальных давлениях в тупике, куда истекала струя, величины которых предопределялись гидрав­ лическими сопротивлениями в отводном трубопроводе без штуцера (рис.4.1.1). Избыточное давление в тупике (зависимости от расхода жид­ кости) колебалось в пределах 0,06... 0,19 МПа, а относительное противо­

137

4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

давление р„\, = 0,035...0,04. Строго говоря, такой вариант истечения нельзя назвать истечением в среду с атмосферным давлением, хотя (для краткости и ввиду малости р „ ,,) он будет называться испытанием “без противодавле­ ния”.

В работе [ 11 9] приведены также экспериментальные данные о влиянии относительной длины цилиндрической насадки 1Ч/ d„ (рис. 4.2.1) на д,„ если истечение через насадку происходит в условиях наличия достаточно­

го противодавления (р„'л > р„",>,кр).	Оказалось, что при 0 < l„ /d u < 0,25 ко­
эффициент расхода не зависит от	/„ / d„ и равен 0,62. Такие насадки

обычно называют диафрагмами (рис. 4.2.1д) или отверстиями в тонкой стенке. В диапазоне 0,25 < 1ч/ d„< 1,5 коэффициент цилиндрической насадки постепенно по криволинейному закону возрастает до предельного значения 0,82, и дальнейшее увеличение длины до 2...2,5 (получаем насад­ ку, показанную на рис. 4.2.16) не влияет на рн.

Исследования цилиндрических насадок представляют скорее методи­ ческий, чем практический интерес в связи с тем, что в современных доло­ тах они почти не применяются. Поэтому ниже излагаются результаты ис­ следований только насадок с сужающимся каналом - “профилированных11 (по терминологии Снова Б.Н.).

Несколько замечаний по оценке точности результатов испытаний. Расход жидкости измерялся объемным способом. Мерная емкость та­

рировалась весовым способом при известной температуре воды. Предель­ ная систематическая ошибка измерения веса порции воды при тарировке - не более 0,05 %. В процессе опытов наблюдался интенсивный нагрев цир­ кулирующей через стенд воды, поэтому постоянно, после каждого опыта, измерялась температура воды и вводилась поправка на изменение ее плот­ ности.

Анализ показал, что предельная систематическая погрешность, обу­ словленная классом точности образцовых манометров, совершенством ме­ тодов и приборов для измерения объема, отрезка времени и диаметра от­ верстий насадок, то-есть величин, входящих в формулу (4.2.6), составляет не более 1 %. При этом имеется в виду тот маловероятный случай, когда знаки погрешностей всех приборов и методов измерения совпали. Путем повторных прокачек (N= 10) было установлено, что случайная ошибка оп­ ределения р„ существенно меньше предельной систематической. Следова­ тельно, с весьма высокой вероятностью, близкой к 1, можно утверждать, что величины р„ найдены с ошибкой не более 1 %.

В табл. 4.2.1 и в Приложении дана сводка результатов испытания на­ садок с различным профилем проточной части. Каждая величина явля­ ется средней результатов не менее четырех испытаний. Обращает на себя внимание то, что в ‘ стандартных” условиях истечения несовершенные ко­ нические насадки без скругления ничем не уступают совершенным плав­ ным насадкам.

138

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Таблица 4.2.1

Сводная таблица коэффициентов расхода коротких насадок, используемых при бурении скважин шарошечными долотами

Т Hit насадки или	краткое описание проф и ля кан ала (проточи, части)	У гол конуса, град (для конических, наса­ док)	Д ли н а цилиндриче­ ского участка, м	Радиус сопряж ения ци -линдра с кону­ сом, мм	Д и ам етр от­ верстия, мм
Эллипти­			15		10,26
ческая					10.31
Радиальная			7		10,26
					10,31
Бирадиаль-			3		10,26
ная	(конои-				10,31
дальная)
Профиль			2,5		10,26
естествен­					10,31
ного износа
Коническая		14	6	0	10,26
					10,31
Коническая		37	6.8,5	0	10,26
					10,31

Коэффициент рас­ хода при ис­ течении в среду:

безпро-	тиводав-	ленмн	х	i	*
			«	Й	¥
			Р	е-
			о	в	3
			S	я	2
			=	§	3
		1

0,974 1,022

0,971 1,031

0,956 1,017

0,916 1,002

0,957 0,997

0,874 1,024

в Ж

S 1

г £

я 3

о 5

4 x 4

2 x 5

3 x 6

3 x 4

4 x 3

4 x 6

Коническая	75	4,5	0	10,26	0,782	0,957	2 x 2
				10,31
Коническая	75	4,5	3...4	10,26	0,926	0,993	4 x 6
				10,31
Удлиненная				10,64	0,98	1,008	3 x 4	1
керамичес­				10,7
кая
Короткая				9,9	0,976	1,006	2 x 2
керамичес­
кая

1 относительное противодавление среды не долее 0,04:

1относительное противодавление с/нгды не менее 0,62

Большинство из них, в том числе и конические, имеют величину р,„ превышающую 1. Обязательным условием проявления этой “странности” является наличие противодавления и цилиндрического участка (спрыска) длиной 4... 10 мм.

139

4.Ж< ПКРИМЕНТЛЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

из а т о п л е н н ы х с т р у й

Чтобы уточнить причины такого феномена, необходимо проанализиро­ вать приведенные в Приложении данные.

длина цилиндрического участка (спрыска), мм

Рис. 4.2.4. Влияние длины цилиндрического участка (спрыска) на коэф­ фициент расхода конической насадки без сопряжения поверх­ ностей канала, с углом конуса 75 0 .

Из рис. 4.2.4 и 4.2.5, где показано влияние длины цилиндрического спрыска /ч на ц„ конических насадок без скругления профиля и с таковым,

следует, что:

при /,, = 0 [i„ не зависит от противодавления;

- оптимальное значение/ч равно 4... 10 мм, что соответствует относи­ тельной длине цилиндрического спрыска 0,5... 1,0 (в калибрах диаметра отверстия насадки).

Более общий вывод: в механизме проявления влияния противодавле­ ния на пропускную способность насадок решающее значение имеет нали­

чие цилиндрического спрыска.

На рис. 4.2.6 и 4.2.7 показано влияние угла конуса конических насадок.

Эти данные свидетельствуют о том,		что:
-	с увеличением угла конуса	имеет тенденцию к уменьшению;
--	при истечении без противодавления влияние угла выражено силь­

но, особенно при углах более 30°;

140