WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Во втором разделе приводятся результаты обоснований и проектирования лабораторных установок для исследований транспортирования шлама в горизонтальных участках скважин, полученные с учетом обеспечения подобия, а также обоснование параметров оребренных труб.

При изучении потоков жидкости необходимо выполнение подобия граничных условий и режимных параметров с обеспечением геометрического и кинематического подобия.

К граничным условиям относится выделение начальных и конечных участков трубопровода, на которых формируется (искажается) профиль скорости потока жидкости в канале, и процесс является неустановившимся. Поэтому исследования необходимо проводить вне этих участков.

При промывке ньютоновской жидкостью длина начального и конечного участков составляет: для ламинарного течения в трубе, для турбулентного течения, где D - гидравлический диаметр трубопровода. Для неньютоновских жидкостей длина начального участка состав­ляет 80D и более. Отсюда следует, что общая длина установки должна быть не менее 150-200 гидравлических диаметров канала.

Наиболее простым с методической точки зрения является натурное моде­лирование, когда все коэффициенты моделирования равны единице. Но при этом геометрические размеры установки получаются достаточно боль­шими.

Отсюда возникает необходимость разработки модели скважины с коэффициентом (масштабом) геометрического моделирования kd<1.

Однако при использовании в экспериментах жидкости, описываемой уравнением Бингама, невозможно добиться равенства в модели и натуре критериев Рейнольдса Re и Сен Венана Sen при kd1.

Известно, что при низких градиентах скорости сдвига, характерных для кольцевого пространства скважин, промывочные жидкости лучше описываются степенной моделью Оствальда-де-Вааля,где - градиент скорости, жидкости называются псевдопластичными (ППЖ). При степенной модели условия моделирования облегчаются. В частности, подобие режимов течения (Re = idem) достигается при коэффициенте кинематического подобия. Исходя из технических возможностей изготовления лабораторных установок были взяты коэффициенты геометрического (масштабного) моделирования kd=0,25 и kd=0,5(0,7). Получаем при показателе нелинейности m=0,5, =1,6, =1,26, =1,09.

Кроме того, при ламинарном режиме течения псевдопластичной жидкости профиль скорости не зависит от величины Re, т.е. режим автомодельный и от требования Re=idem можно отказаться.

С учетом этого были разработаны и изготовлены две экспериментальные установки с коэффициентом (масштабом) геометрического моделирования 0,25 (таблица 1, рисунок 1) и 0,5//0,7 (таблица 2 и рисунок 2).

Таблица 1 - Экспериментальная установка с коэффициентом (масштабом) геометрического моделирования 0,25

Величины

Размеры, мм

Коэффициент (масштаб) геометрического моделирования kd

натуры

модели

Диаметр скважины Dс, мм

140

35,5

0,25

Диаметр труб Dт, мм

73/89

20

0,27/0,22

Диаметр замков Dз, мм

95/108

105/118

108/127

25

27

29

0,26/0,23

0,26/0,23

0,27/0,23

Гидравлический диаметр DГ, мм

67/51

15,5

0,23/0,3

В среднем

0,25

Таблица 2 - Экспериментальная установка с коэффициентом (масштабом) геометрического моделирования 0,5//0,7

Величины

Размеры, мм

Коэффициент (масштаб) геометрического моделирования kd

натуры

модели

Диаметр скважины Dс, мм

216/140

105

0,48/0,75

Диаметр труб Dт, мм

127/89

64

0,5/0,72

Диаметр замков Dз, мм

155/95

162/105

170/108

75

80

85

0,48/0,79

0,5/0,76

0,5/0,79

Гидравлический диаметр DГ, мм

89/51

41

0,45/0,8

В среднем

0,5/0,75

В таблице 3 приведены значения плотностей модельных частиц шлама, при которых обеспечиваются равенства в модели и натуре критерия Архимеда Ar=idem.

Как видно из таблицы 3, при использовании псевдопластичной жидкости, описываемой уравнением Оствальда, моделирование частиц шлама облегчается, но даже при m=0,4 плотности модельных частиц велики. Указанная трудность была преодолена следующим образом. Известно, что если размер частицы меньше 0,1 размера канала, то она двигается, не испытывая влияния стенок, как в канале бесконечно большого размера. Следовательно, частицы размером мм, где - диаметр замка модели и диаметр трубы модели соответственно, будут двигаться одинаково и в модели, и в натуре, т.е. они обладают свойствами автомодельности. Для малой установки свойствами автомодельности обладают частицы 0,2 мм.

Таблица 3 - Значения плотностей моделей частиц шлама тм для обеспечения условий Ar=idem

тм 10-3, кг/м3

Реологическая модель жидкости

Ньютона, Бингама

Оствальда

m =0,8

m =0,6

m =0,4

0,5

10,515,5

69

4,36,5

3,45

0,4

18,728

1015

6,610

4,77,1

0,33

-

-

9,214

6,2 9,4

0,25

-

-

-

9,614,4

0,2

-

-

-

13,420

В качестве критериев кинематического подобия целесообразно взять отношение скорости оседания частиц к скорости течения жидкости Uос/Uж.

Известно, что при ламинарном обтекании частиц, следовательно, для соблюдения кинематического подобия плотность модельных частиц шлама должна быть кг/м3 при ламинарном обтекании и кг/м3 при турбулентном обтекании, где - коэффициент кинематического подобия; - средняя плотность натурных частиц.

Исходя из полученных результатов, в опытах использовались следующие модели частиц шлама (таблица 4).

Таблица 4 - Модели частиц шлама

Материал

, кг/м3

Фракционный состав, мм

Установка

Кварцевый песок

2300

0,17-0,22

первая

~1

вторая

Пропант

3600

~1

При моделировании одинаково важными являются соотношения окружных и осевых скоростей жидкости. Как будет показано ниже, вращение потока жидкости в кольцевом пространстве оребренных труб обуславливается наличием спирали и вращением самих труб. Окружная скорость, обусловленная наличием шнека, определяется углом наклона винтовой линии к осевой линии, и при соотношение для модели будет таким же, как для натуры, где - диаметр шнека.

Для вращения труб на установке был установлен двигатель.

Таблица 5 - Реологические параметры растворов

Вид жидкости

Условная

вязкость по СПВ-5

(УВ), с

Реологические параметры по модели

Бингама

Оствальда-де- Вааля

, мПа*с

0, Па

к, Па*сm

m

Вода

15

-

0

-

-

1,0% раствор КМЦ

25

11,2

1,82

2,39

0,72

1,5% Раствор КМЦ

35

16,2

5,16

2,75

0,57

Для обеспечения возможности визуального наблюдения за движением частиц «шлама» в опытах в качестве промывочной жидкости использовались вода и водный раствор КМЦ (1,0% и 1,5%), с параметрами, близкими к параметрам растворов, используемых в бурении (таблица 5)

Первая установка (рисунок 1), позволяла проводить эксперименты при различных зенитных углах наклонной скважины. Модель участка скважины была изготовлена из стеклянных труб 3, закрепленных на балке 5 длиной 4 метра. Балка с трубками установлена на пирамидальном ос­новании 7 высотой 1,5 метра, которая позволяет изменять наклон балки в пределах ±45. Трубы, моделирующие скважину 3, имели диаметр, равный 35,5 мм, а моделирующие бурильную трубу 4 – диаметр, равный 20 мм. Перепад давления измерялся водяным манометром 2.

1- компенсаторы; 2- водяной манометр; 3- стеклянная трубка D=35,5 мм;

4- стеклянная трубка d=20 мм; 5- балка; 6- бурильные замки Dз=25-28 мм; 7- пирамида; 8- нагнетательная линия; 9- насос ВТ 6877К; 10- емкость для раствора; 11- краны; 12- расходомер

Рисунок 1- Принципиальная схема малой лабораторной установки

Вторая установка (рисунок 2) была смоделирована и сконструирована для исследования вращения гладких и оребренных труб. Горизонтальная часть установки длиной 14 м составлена из алюминиевых 12 (на начальном и конечном участках) и стеклянных 13 труб (на участке исследования). В качестве модели бурильных труб были использованы полипропиленовые трубы 14. На них были установлены пластиковые замки. Чтобы трубы не всплывали, а прижимались к нижней стенке «скважины», их утяжелили цементными пробками. Перепад давления измерялся манометрами 16.Данная установка позволяет осуществлять вращение бурильной колонны за счет редуктора 10 и двигателя 9.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»