МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ» (МГРИ-РГГРУ) _________________________________________________________________________ КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН РАСЧЁТНАЯ РАБОТА ПО МЕХАНИКЕ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ Механика сплошной среды в работе скважинного эрлифта Выполнил: ст. группы ЗНД-17к2 Алексеенко С.А. Проверил: проф. Куликов В.В. МОСКВА, 2020 г. № Обозначение величины, размерность; подземный флюид (ПФ) 2 hо, м Значение величины; вид жидкого подземного флюида (ПФ) 3 7 600 7 8 9 10 S, м Qн, м3/сут ПФ ρн, кг/м3 μR, Дж/(кмоль∙К) μ, кг/кмоль tо, ºС t, ºС λ 11 12 ∆Рсмс, ат υд 13 κ1 2 14 15 16 17 dо κ2 κ3 κ4 5 1.2 1.1 15 15 16 Ро, ат g, Н/кг 1 9,81 1 1 2 3 4 5 6 20 нефть (Н) 800 8314,51 28,97 25 45 0,05 1.1 10 Наименование величины 4 Глубина статического уровня жидкого подземного флюида (ПФ) в скважине до откачки Понижение уровня ПФ в скважине при откачке Проектный дебит скважины Наименование ПФ Плотность ПФ Универсальная газовая постоянная Молярная масса воздуха Температура ГЖС и воздуха при выходе из скважины Температура ГЖС и воздуха у смесителя Коэффициент линейной потери давления воздуха в воздухопроводе Потеря давления воздуха в смесителе (форсунке) Рекомендуемое максимальное значение средней скорости движения воздуха в воздухопроводных трубах Коэффициент, характеризующий отношение суммарной площади отверстий смесителя эрлифта к площади поперечного сечения воздухопроводных труб Диаметр отверстия смесителя эрлифта Коэффициент запаса давления Коэффициент запаса объёмного расхода Коэффициент пересчёта подачи компрессора в объём ресивера Атмосферное давление Ускорение силы тяжести Расчётная схема эрлифта: 1 – смесеподъёмная колонна; 2 – газопровод (воздухопровод); 3 – смеситель, или форсунка; 4 – фильтр; 5 –отстойник; 6 – подземный коллектор; 7 – сепаратор; 8 – отражатель; 9 – статический уровень жидкого подземного флюида (ПФ); 10 – динамический уровень ПФ; 11 – кривая депрессии; 12 – ПФ; 13 – ГЖС (газированная жидкость, смесь); hо, h – глубина статического и динамического уровня соответственно; H – расстояние до смесителя (глубина погружения смесителя) 2.Глубина динамического уровня жидкого подземного флюида (ПФ) в скважине h = hо + S, м h=20+7=27, м 3.Коэффициент погружения смесителя (форсунки) эрлифта под динамический уровень Уравнение степенной регрессии: k = 4,83 · h- 0,22 k=4.83·27−0.22 =2.33 а = 1 - 1/k a=1-1/2.33=0.57 4.Глубина погружения смесителя (расстояние от нижних отверстий смесителя до уровня излива смеси на поверхности, или высота столба ГЖС) Н = k · h, м H=2.33·27=62.91 5.Гидравлический коэффициент полезного действия (КПД) работы эрлифта: η = (k - 1)0,85 / (1,05 · k) η=(2.33 − 1)0.85 /(1.05·2.33)=0.52 6.Теоретическое значение удельного расхода воздуха φот, необходимого для подъёма из скважины 1 м³ ПФ, (м3 воздуха) / (м3 ПФ) φот = ρн · g ∙ h / (η · Pо · ln (1 + ρн · g ∙ (Н - h) / Pо)) φот =800·9.81·27/(0.52·1· 105 ·ln(1+800·9.81· (62.91-27)/1· 105))=3.04 7.Удельная газовая постоянная воздуха R = μR / μ, Дж / (кг · К) R=8314,51/28,97=287 ,Дж/(кг · К) 8.Абсолютная температура ГЖС и атмосферного воздуха на устье скважины (при изливе) То = 273,15 + tо, К То =273,15+25=298,15 11.Плотность атмосферного воздуха ρо = Ρо / (R · То) , кг/м3 ρо =1/(287·298,15)=1,17 12.Теоретическое значение абсолютного давления ГЖС у смесителя P = Pо + ρн · g · Н · (1 + φот · ρо /ρн) - φот · Pо · T/Tо · ln (P/Pо) = … · 105 Па P=1· 105 +800·9.81·62.91· (1+3.04·1.17/800)-3.04·1· 105 ·318.15/298.15·ln( 271616.47 /1· 105)= 2.71· 105 Па Уравнение решается методом подстановок. 13. Теоретическое значение абсолютного давления воздуха в воздухопроводе у смесителя P2 = P + ∆Pсмс = … · 105 Па P2 =2.71+1,1=3.81· 105 Па 14.Средняя теоретическая плотность ГЖС ρсмср = (P - Pо) / (g · H), кг/м3 ρсмср =(2,71· 105 -1· 105)/(9,81·62,91)=277.08 15.Теоретическое минимальное значение коэффициента погружения смесителя kmin > 1 + ρсмср / ρн kmin >1+277.08/800 kmin >1.34 аmin > ρсмср / ρн аmin >277.08/800 аmin >0.34 16.Коэффициент, учитывающий влияние относительного движения (проскальзывания) дискретной фазы (воздуха) в непрерывной фазе (жидкости) и потери давления на трение при движении ГЖС на величину удельного расхода воздуха [46] Уравнение квадратической регрессии: c = 8,42 - 4,16 · k + 0,63 · k2 с=8,42 - 4,16 · 2,33+0,63· 2,332=2,14 17.Фактическое значение удельного расхода воздуха φо, необходимого для подъёма из скважины 1 м³ ПФ, (м3 воздуха) / (м3 ПФ) φо = c · φот φо =2,14·3.04=6.5 18.Объёмный расход воздуха Qо = φо · Qн = … м3/сут = … м3/ч = … м3/мин … м3/с Qо =6.5·600=3900 м3/сут=162.5 м3/ч=0.045 м3/с 19.Массовый расход воздуха Мд = ρо ∙ Qо, кг/с Мд =1,17·0.045=0.0526 кг/с 20.Объёмный расход ГЖС на устье скважины (при изливе) Qсмо = Qн + Qо, м3/с Qсмо =600+3900=4500 м3/сут =0.052 м3/с 21. Объёмный расход ГЖС у смесителя Qсм = Qн + Qо · Ρо · Т / (Ρ · То) , м3/с Qсм =0.0069+0.045 ·105 ·318.15/(2.71·105 · 298.15)=0.024 м3/с 22.Плотность ГЖС на устье скважины (при изливе) ρсмо = ρн · (1 / (1 + φо)) + ρо · (φо / (1 + φо)), кг/м3 ρсмо =800(1/(1+6.5))+1.17(6.5/(1+6.5))=107.68 кг/м3 23. Плотность ГЖС у смесителя ρсм = ρсмо / ((1 / (1 + φо) + (φо / (1 + φо)) · Pо · T / (P · Tо)), кг/м3 ρсм =107.68/((1/(1+6.5)+(6.5/(1+6.5)) ·105 ·318.15/(2.71·105 · 298.15))=33.47 24.Наружный и внутренний диаметры воздухопроводных (воздухоподающих) труб В качестве воздухопроводных (воздухоподающих) труб при освоении скважин эрлифтом обычно используют стальные бурильные или пластмассовые трубы (шланги), а при эксплуатации – стальные насоснокомпрессорные трубы или пластмассовые шланги (табл. 3). Основные диаметры труб (шлангов), применяемых в качестве воздухопроводных магистралей эрлифтов Таблица 3 Тип труб (шлангов) Наружный диаметр Внутренний диаметр D, мм d, мм Бурильные трубы для бурения геолого-разведочных скважин Трубы бурильные легкосплавные (ТБЛ) ТБЛ-43 43 29 ТБЛ-55 55 37 ТБЛ-70 70 52 ТБЛ-85 85 67 Трубы бурильные стальные универсальные (ТБСУ) ТБСУ-43 43 34 ТБСУ-55 55 46 ТБСУ-63,5 63,5 54,5 ТБСУ-70 70 61 ТБСУ-85 85 76 Трубы бурильные стальные лёгкой серии (ТБСЛ) ТБСЛ-43 43 33,4 ТБСЛ-55 55 45,4 ТБСЛ-70 70 60,4 ТБСЛ-89 89 78 ТБСЛ-114 114 102 Бурильные трубы для бурения нефтяных и газовых скважин Трубы бурильные стальные: с высадкой внутрь (ТБВ), с высадкой наружу (ТБН), с высадкой внутрь и коническим стабилизирующим пояском (ТБВК), с высадкой наружу и коническим стабилизирующим пояском (ТБНК), с приваренными замками (ТБПВТ, ТБПВ) 42 32 50 39 60,3 42,3; 46,3 63,5 51,5 73 51; 55; 59 89 67; 71; 75 101,6 81,6; 83,6; 85,6; 87,6 114,3 92,3; 94,3; 96,3; 98,3; 100,3 127 107; 109; 111; 113 139,7 112,7; 115,7; 117,7; 119,7; 121,7; 123,7 Насосно-компрессорные трубы (НКТ) Гладкие НКТ 33,4 26,4 42,2 35,2 48,3 40,3 60,3 50,3 73 52; 59 88,9 75,9 101,6 88,6 114,3 100,3 Полиэтиленовые шланги Полиэтиленовые шланги из полиэтилена высокой плотности (ПВП) 10 6 12 8 16 12 20 16 25 20,4 32 26,2 40 32,8 50 41 Внутренний диаметр воздухопроводных труб d либо принимается в соответствии с имеющимися трубами, либо рассчитывается с учётом рекомендуемого максимального значения средней скорости движения воздуха υд в воздухопроводе: d = 2 · (Мд · R · T / (π · υд · P2))0,5 = … м = … мм d = 2 · (0.0526· 287 · 318.15 / (π · 10 · 3.81·105 ))0,5 =0.04 м = 40мм В соответствии с рассчитанным значением d и данными табл. 3 принимаем в качестве воздухопроводных труб …. d = 40.3 мм = 0.0403 м, D = 48.3 мм = 0.0483 м 25.Площадь поперечного сечения воздухопроводных труб f = π · d2 / 4, м2 f = π· 0.04032 / 4=0.00127 м2 26.Суммарная площадь отверстий смесителя эрлифта f Σо = κ1 · f, м2 f Σо =2·0.00127=254· 10-5 м2 27.Площадь одного отверстия смесителя эрлифта fо = π · dо2 / 4, м2 fо = π ·0.0052 / 4=1.96· 10-5 ,м2 28.Количество отверстий в смесителе эрлифта n = [f Σо / fо]+1, n= [254· 10-5/ 1.96· 10-5 ]+1=130 29. Рекомендуемая скорость движения ГЖС на устье скважины (при изливе) Уравнение степенной регрессии: υсмо = 1,74 · h0,41, м/с υсмо = 1,74 ·270,41 =6.72 30. Рекомендуемая скорость движения ГЖС у смесителя Уравнение степенной регрессии: υсм = 0,27 · h0,63, м/с υсм = 0,27 · 270,63 =2.15 31. Рекомендуемая площадь поперечного сечения кольцевого потока ГЖС между смесеподъёмными и воздухопроводными трубами у смесителя на устье скважины (при изливе) f смо = Qсмо / υсмо, м2 f смо = 0.052 /6.72=0.0077 32. Рекомендуемая площадь поперечного сечения кольцевого потока ГЖС между смесеподъёмными и воздухопроводными трубами у смесителя f см = Qсм / υсм, м2 f см =0.024/2.15=0.011 33. Площадь поперечного сечения кольцевого потока ГЖС в смесеподъёмной колонне труб для одноступенчатого эрлифта Для смесеподъёмной колонны труб с неизменными поперечными размерами (одноступенчатый эрлифт) выбирается большее значение площади сечения потока ГЖС: f см, если f см > f смо f смспк =│ f смо, если f смо > f см Принимаем f смспк = 0.011 м2 34.Внутренний диаметр смесеподъёмной колонны труб dспк = (4 · f смспк / π + D2 )0,5, м dспк = (4 ·0.0077/ π + 0.04832 )0,5=0,11 , м Если dспк ≈ dок, где dок – внутренний диаметр обсадной (эксплуатационной, фильтровой) колонны труб, установленной в скважине, то обсадная колонна может использоваться в качестве смесеподъёмной. Если dспк << dок, то использовать обсадную (эксплуатационную, фильтровую) колонну труб в качестве смесеподъёмной невозможно. В этом случае на время работы эрлифта в обсадную (эксплуатационную, фильтровую) колонну устанавливают специализированную смесеподъёмную колонну, имеющую внутренний диаметр dспк и наружный диаметр, позволяющий осуществить безаварийный её спуск и извлечение из скважины. 35. Сокращающие буквенные обозначения А = - g, Н/кг; A=-9.81 Н/кг В = λ / (2 d) (Мд · R · T / f)2, Вт2 / м5 B=0.05/(2 0.0403) (0.0526 · 287 ·318.15/0.00127)2=887.21· 1010 Вт2 / м5 36. Абсолютное давление воздуха в воздухопроводе у компрессора P1 = (℮2·А·Н/(R·T) (P22 + B /A) - B /A)0,5 = … · 105 Па P1 =((℮2·-9.81·62.91/(287·318.15) ((3.81· 105 )2 + 887.21· 1010 /-9.81) - 887.21· 1010 /-9.81)0,5 =3.94· 105 37.Рабочее давление компрессора при работе эрлифта Pр = P1 - Pо = … · 105 Па = … МПа Pр = 3.94 - 1 = 2.94 · 105= 0.294 Мпа 38.Пусковое давление компрессора при пуске эрлифта Pп = Pр + ρн · g · S = … · 105 Па = … МПа Pп = Pр + ρн · g · S = 2.94· 105 +800· 9.81· 7 = 0.348 Мпа 39.Давление, развиваемое компрессором Pк = κ2 · Pп = … · 105 Па = … Мпа Pк = κ2 · Pп = 1.2·3.48 · 105 Па = 0.417 Мпа 40.Подача компрессора Qк = κ3 · Qо = … м3/с = … м3/мин = … м3/ч Qк = κ3 · Qо = 1.1 · 0.045 = 0.049м3/с = 2.97м3/мин = 178.2 м3/ч 41.Объём ресивера компрессора Vрес = κ4 · Qк0,5, м3 Vрес = 15 · 0.0490,5=3.32 м3