К
расчету минимально необходимой скорости
пульсирующего восходящего потоки жидкости
Н.Т.Филимоненко, В.В.Поцепаев
Донецкий государственный технический
университет
г. Допецк, Украина
Обоснование и расчет минимально
допустимой скорости восходящего потока при пульсирующей промывке скважин
представляют определенную трудность. Это связано с непостоянством подачи
очистного агента» создаваемой погружным пневматическим вытеснителем в течение
его рабочего цикла.
Рассмотрим процесс перемещения
шлама за время рабочего цикла Т. Последний (рис.1,а) состоит из трех этапов:
вытеснение tв (участок ABC), движение жидкости по инерции tн (участок CD) и заполнение
жидкостью вытеснительной камеры tзап (участок DE).
Опишем характер
перемещения шлама за период рабочего цикла Т пневматического насоса, (рис 1,б)
который будет состоять из суммы конкретных промежутков времени;
Т = t1 + t2 + t3 + t4
+ t5 (1)
В течение времени t1 этапа вытеснения шлам оседает, т.к. до этого было
заполнение вытеснительной камеры и промывка отсутствовала. Шлам не может
мгновенно затормозиться восходящим потоком и реверсировать направление своего
движения.
Начнется вынос шлама с начала
промежутка времени t2, затем будет
продолжаться на этапе движения жидкости па инерции tи и период времени t3. На интервале
времени t3, когда отсутствует восходящий
поток жидкости, шлам под действием силы тяжести будет затормаживаться,
остановится, а затем начнет оседать, разгоняясь за время t4 до некоторой постоянной скорости U. Далее шлам будет двигаться с этой скоростью в течение времени t5 до момента начала этапа вытеснения. Затем движение шлама
повторится.
Изученным является процесс
седиментации в период t5, в течение
которого шлам будет оседать с некоторой постоянной скоростью U, рассчитываемой по формуле Риттингера [1 ].
На остальных интервалах времени t1, t2, tи, t3, t4 мы можем только
предполагать их длительность и характер движения шлама. Продолжительность
промежутков времени t1, tи, t3, t4 несоизмеримо мала с рабочим циклом пневматического
вытеснителя (на рисунке продолжительность t1, tи, t3, t4 для наглядности
завышена). Поэтому время, в течение которого присутствует неопределенность в
характере выноса и седиментации шлама на рабочем цикле, незначительно. Однако
на этапе вытеснения tв можно определенно сказать, что
процесс движения шлама будет коррелировать с характером изменения интенсивности
восходящего потока.
Формула для определения минимально
допустимой скорости восходящего потока vb на этапе вытеснения имеет вид (2) [2]
,
(2)
где С - скорость выноса шлама
восходящим потоком, м/с.
Скорость выноса шлама С должна
обеспечить его подъем на такую высоту, чтобы последний не мог на этапе
заполнения t3 (когда отсутствует промывка
скважины) вытеснительной камеры осесть на забой. С рассчитывается по принятой
для колонкового бурения формуле (3), полученной аналитическим методом, исходя
из требуемой при бурении с прямой промывкой разницы плотностей восходящей и
нисходящей жидкостей, и постоянна для конкретных условий:
,
(3)
где S1 и S0 - соответственно
площади забоя и кольцевого пространства между стенками скважины и бурильными
трубами, м2; VM механическая
скорость бурения определяемая по СУСНу, м/с, Z - коэффициент, учитывающий винтообразное движение часта
вследствие вращения бурового снаряда; rп, rжн, rжв - плотности
соответственно породы, нисходящего и восходящего потоков жидкости.
В работах [4,5] показана
необоснованность рекомендуемой для прямой промывки разности между плотностями
восходящего и нисходящего потоков жидкости, rжв - rжн (для
ньютоновской и неньютоновской жидкости она принимается соответственно 10 и
20-30 кг/м) в том случае, если промывка имеет призабойный и пульсирующий
характер. Экспериментальное подтверждение уточнений автора позволило
значительно расширить область применения пульсирующей промывки по глубине скважины.
Кроме этого, при обосновании
минимального необходимой скорости восходящего потока при пульсирующей промывке
скважины присутствует некорректность. Суть ее заключается в следующем.
Известно, что постоянство С справедливо для промывки скважины с постоянным
расходом. Для рассматриваемого случая промывка пульсирующая, и на этапе
вытеснения tв скорость восходящего потока
непостоянна (участок ABC рис.1, а) Поэтому скорость выноса
частиц шлама С на этом этапе тоже не может быть величиной постоянной.
Следовательно, рассчитывать vв, по формуле (2)
без учета изменения С было бы некорректно.
Автором разработана к
экспериментально подтверждена точная методика прогнозирования интенсивности
восходящего потока при пульсирующей промывке скважины [3]. Таким образом, зная
изменение скорости восходящего потока на этапе вытеснения (участок ABC рис.1, а), мы можем рассчитать и степень ее изменения,
выразив ее через e, путем
суммирования отношений максимального значения скорости к текущему на всем этапе
вытеснения. Учитывая то, что скорость выноса частиц шлама С на этапе вытеснения
будет коррелировать со скоростью восходящего потока, учтем изменение С путем
умножения последней на e. Таким образом,
формула для расчета минимально необходимой скорости восходящего потока при
забойной пульсирующей промывке будет иметь вид
(4)
Полигонные испытания подтвердили
справедливость уточнений
формулы (4).
Библиографический
список
1. Ивачев JIM. Промывочные жидкости в разведочном
бурении. -М: Недра, 1975. -216 с.
2.
Филимоненко Н.Т., Ивачцв
Л.М., Чистяков В.К,
Расчет необходимой скорости восходящего потока жидкости при
промывке скважин пульсационным пневмонасосом
- Донецк: ДПИ, 1985. 9с. - Деп.
в Укр НИИНТИ №1737.
3. Филимоненко Н.Т., Комарь /7.7/.
К вопросу прогнозирования интенсивности при забойной пульсирующей промывке
применительно к неньютоновской жидкости // Совершенствование техники и
технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург,
1993. -Вып. I6.-C.49-49.
4. Филимоненко Н.Т. О
режимном параметре пульсирующей промывке скважин // Совершенствование техники и
технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург,!998.
- Вып. 21.-С.Ш-Ш.
5. Филимоненко
Н.Т. К вопросу расширения возможностей призабойной пульсирующей
промывки скважин // Сб. научных трудов ИГА Украины. №3, Т. 2. Геология полезных
ископаемых н разведки. - С. 260-263.