Инженерная практика
Российский нефтегазовый журнал о технологиях и оборудовании
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru
Telegram
  • Главная
  • SPE
  • Новый подход к расчету гидравлических потерь давления при вращении бурильной колонны и без него

Новый подход к расчету гидравлических потерь давления при вращении бурильной колонны и без него

Настоящая статья написана главным редактором журнала «Инженерная практика» Александром Долгопольским в качестве краткого обзора публикации SPE 173054-MS “Advances in the Calculation of Circulating Pressure Drop with and without Drillpipe Rotation”. Данную публикацию подготовил Terry Hemphill (Halliburton) для Конференции по бурению Международной ассоциации буровых подрядчиков и Общества инженеров нефтегазовой промышленности (IADC/SPE), проведенной 17-19 марта 2015 года в г. Лондоне. Публикация не рецензировалась.

29.05.2015 Инженерная практика №05/2015
Долгопольский Александр Львович Главный редактор журнала «Инженерная практика»

Автор рассматриваемого материала решил расставить все точки над i в вопросе точности расчета гидравлических потерь, возникающих в кольцевом пространстве между вращающейся бурильной колонной (в данном случае, для упрощения – бурильной трубой) и внутренней стенкой ствола. Автор утверждает, что применяемые в настоящее время формулы не учитывают около 5% гидравлических потерь, поскольку недооценивают влияние спиральности течения жидкости и собственно вращения бурильной трубы.

Рис. 6.1. Течение промывочной жидкости в кольцевом пространстве при вращающейся и неподвижной бурильной трубе
Рис. 6.1. Течение промывочной жидкости в кольцевом пространстве при вращающейся и неподвижной бурильной трубе

Для начала в работе приводятся общепринятые схемы и закономерности течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве (рис. 6.1). Считается, что при продольном движении для центральной части потока жидкости в кольцевом пространстве (на рис. 6.1. темно-синий цвет) характерно поршневое течение фактически без напряжения сдвига, которое наблюдается с обеих сторон от центральной зоны и нарастает с приближением к стенке бурильной трубы или к стенке ствола скважины. И при расчете гидравлических потерь в данном случае принято учитывать только эти периферийные зоны между краями зоны поршневого потока и стенками скважин, а потери в центральной зоне исключать как пренебрежимо малые.

Вместе с тем, согласно выкладкам автора стандартными методиками, не учитывающими потери на трение между внутренними слоями жидкости, примерно на 5% занижается величина гидравлических потерь при неподвижной бурильной колонне. Так, в рассматриваемом автором примере при общей величине гидравлических потерь 680 Па/м доля потерь на преодоление трения между внутренними слоями составляет порядка 34 Па/м. Причем, на величину этих неучтенных потерь влияет эксцентричность положения бурильной трубы в скважине. Для рассматриваемого примера потери на трение между внутренними слоями при индексе эксцентричности (ɛ), равном 0,25, составляют 27 Па/м, при ɛ = 0,4 потери составят 20 Па/м, а при ɛ = 0,5 – всего 14 Па/м.

Рис. 6.2. Скорость в точке в зависимости от скорости вращения бурильной трубы и расстояния от нее
Рис. 6.2. Скорость в точке в зависимости от скорости вращения бурильной трубы и расстояния от нее

По мере роста скорости вращения колонны гидравлические потери на трение между слоями также возрастают. При вращении бурильной колонны поток промывочной жидкости становится спиральным, что связано с появлением у каждой условной точки жидкости, помимо осевой (продольной) составляющей скорости, тангенциальной составляющей. Причем, чем выше скорость вращения трубы и меньше расстояние от трубы до точки, тем больше скорость в этой точке (рис. 6. 2).

Разумеется, рассматриваемая модель подразумевает ряд важных допущений. Так, во-первых, автор исходит из того, что кольцевое пространство формиру-ется трубами постоянного по всей длине диаметра (без каверн, промывов и т.д.). Во-вторых, сдвиг потока распространяется по всему кольцевому пространству, так что тангенциальная и продольная составляющие скорости могут быть рассчитаны для каждой точки, что и позволяет условно выделить дискретные слои жидкости в потоке. В качестве базовой величины гидравлических потерь принимается расчетная величина для краевых зон продольного потока. Естественно, в целях моделирования исключается наличие в потоке частиц выбуриваемой породы, анизотропия реологических свойств промывочной жидкости и т.д.

Также принимается соответствие реологических свойств жидкости модели Гершеля – Балкли.

Путем цепочки рассуждений автор приходит к следующим формулам расчета скорости точки (Vсп) и напряжения сдвига (ɣсп) в спиральном потоке:

2017-07-04-15_11_07-%d1%81%d1%82%d1%80%d0%b0%d0%bd%d0%b8%d1%86%d1%8b-%d0%b8%d0%b7-inpraktika_05-2015-15-pdf-adobe-acrobat-pro-dc

Исходя из этих формул, автор указывает на то, что повышение скорости вращения колонны никак не может снижать гидравлические потери, как предполагалось в некоторых более ранних работах. Это же, по словам автора, подтверждается данными скважинных датчиков для измерения давления в процессе бурения. Причем разница в гидравлических потерях в зависимости от скорости вращения колонны может быть довольно существенной (рис. 6.3, таблицу).

Рис. 6.3. Зависимость величины напряжения сдвига от расстояния от бурильной трубы
Рис. 6.3. Зависимость величины напряжения сдвига от расстояния от бурильной трубы
Таблица 1. Скорости в точках, скорости сдвига и напряжения сдвига и для промывочной жидкости в кольцевом пространстве с индексом эксцентричности 0,5
Таблица 1. Скорости в точках, скорости сдвига и напряжения сдвига и для промывочной жидкости в кольцевом пространстве с индексом эксцентричности 0,5

Наконец, автор проанализировал и еще один фактор, значительно влияющий на гидравлические потери в кольцевом пространстве, – это его сечение (рис. 6.4.).

Рис. 6.4. Зависимость величины гидравлических потерь от сечения кольцевого пространства и скорости вращения бурильной трубы
Рис. 6.4. Зависимость величины гидравлических потерь от сечения кольцевого пространства и скорости вращения бурильной трубы

Как мы видим, даже без вращения бурильной колонны базовое, нескорректированное напряжение сдвига при нулевом индексе эксцентричности для жидкости в кольцевом пространстве меньшего сечения будет гораздо выше. С ростом скорости вращения гидравлические потери будут расти в обоих случаях. Кроме того, в обоих случаях при скорости вращения на уровне 100 об./мин гидравлические потери будут приблизительно равны базовым значениям, рассчитанным для продольного течения.

Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Well Advisor – интеграция поступающих в режиме онлайн данных с инструментами прогнозирования, процессами и экспертными оценками для принятия более информированных решений
По лезвию бритвы – нюансы инжиниринга буровых растворов для узкого окна ЭЦП
Свежий выпуск
Инженерная практика №02/2022

Инженерная практика

Выпуск №02/2022

Защита оборудования от коррозии. Механизированная добыча. Наземное оборудование
Комплексный подход к мониторингу коррозии и эрозии, электрохимическая защита трубопроводовСнижение вязкости нефти и защита оборудования от мехпримесей на Баклановском месторожденииВнутритрубная обработка природного газа: поточная регенерация метанола, интеллектуальные блоки входных манифольдов и др.Исследование причин отказа стальных НКТ, испытания металлопластмассовых трубСовершенствование НД и сертификация персонала в области противокоррозионной защитыЭксплуатационные испытания защитных покрытий
Ближайшее совещание
Трубопроводный транспорт
Арматура 2022
Производственно-техническая отраслевая конференция

Арматура ’2022. Производство и эксплуатация трубопроводной арматуры и оборудования устья скважин. Импортозамещение. Новые вызовы.

24 - 26 мая 2022 г., г. Уфа
Работа Конференции направлена на обмен опытом среди экспертов и специалистов нефтегазовых компаний, НИПИ и заводов производителей оборудования по основным темам: подтверждение производства промышленной продукции на территории РФ в соответствии с требованиями Правительства Российской Федерации; импортозамещение, входной контроль трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры в части соответствия техническим требованиям Заказчика; внедрение новой техники, освоение сложных видов продукции в номенклатурной линейке, развитие производственного потенциала отрасли в РФ, проведение технических аудитов со стороны Заказчика.