Розрахунок необхідної витрати бурового розчину
Для повного очищення вибою від зруйнованої породи та винесення її на поверхнювитрати бурового розчину (подача насосів) Q повинен забезпечувати таку швидкість висхідного потоку υв (в м/с), яка перевищує швидкість падіння твердих частинок u (в м /с) за відсутності руху рідини під впливом сили тяжіння на величину бажаної швидкості підйому w, тобто.
У перехідному та турбулентному режимах обтікання частинки (м/с) обчислюється за формулою Риттінгера.
(14.2)
де k = √4g / 3kс - постійна Риттінгер; kс - коефіцієнт опору руху, залежить від зміни частки, швидкості її обтікання та інших чинників, для кулі загалом kc≈0,4); dч - діаметр найбільшої частки, що залишається у зваженому стані, що визначається за формулою
(14.3)
де τ0 - динамічна напруга зсуву, Па; kd - експериментальний коефіцієнт, значення якого залежить від діаметра (рис. 14.1).
Рис.14.1. Значення коефіцієнта форми kd, запровадженого Р.І.Шищенком
На практиці у формулу (14.3.) замість τ0 часто підставляють СНС (θ), так як багато бурові розчини не підкоряються моделі в'язкопластичної рідини у всій області і зміни градієнтів швидкостей.
Для часток неправильної форми використовується еквівалентний діаметр сфери.
(14.4)
Для визначення розрахункового діаметра частинок породи, що вибурюються шарошечним долотом, можна скористатися виразом.
де l - максимальний крок зубів у площині вибою; b - ширина зубів у площині вибою; h – висота зубів.
За наявності уламків породи зі стінок свердловини як розрахунковий діаметр dч можна прийняти величину кільцевого зазору між стінкою свердловини та муфтою бурильних труб.
При використанні алмазних доліт частки вибуреноїпороди порівняно дрібні та їх винесення на поверхню не викликає труднощів.
Значення k = √4g/3кс можна визначити із графіка (рис. 14.2) залежно від параметра
де d0 - діаметр найбільшої частки, що залишилася у зваженому стані.
Мал. 14.2. Зміна коефіцієнта k у формулі Риттінгера, за Р.І.Шищенком: 1 - сфера; 2 – плоска частка.
При 1 - турбулентний. Для частинок бурового шламу швидкість прослизання приймається рівною 0,3-0,4 аналогічної швидкості сфери.
При ламінарному режимі
(14.7)
де n – пластична в'язкість. Па · с; ψ(a) - експериментальна функція, графік якої наведено на рис. 14.3.
Рис.14.3. Зміна фукції ψ(a), введеної Р.І.Шищенком: 1, 2 - теоретичні та експериментальні дані відповідно
Необхідну швидкість підйому частинок шламу w можна визначити з виразу
(14.8)
де Dc – діаметр свердловини; d – зовнішній діаметр бурильних труб; υм – швидкість проходки; Vт.ч – об'ємна частка твердих частинок.
Допустима максимальна частка обсягу шламу, при перевищенні якої виникає небезпека утворення сальників і прихватів, у практичних розрахунках приймається Vт.ч=5% (зменшується до 2%, якщо буровим розчином служить вода або інші легкі рідини зниженої в'язкості).
Для практичних розрахунків швидкість винесення частинки w приймається рівною (0,1÷0,3)u і тим більше, чим глибше свердловина і вище vм. Визначивши швидкість vв необхідну для транспортування шламу до гирла свердловини, можна обчислити необхідну витрату бурового розчину (в м3/с), що забезпечує винесення частинок породи, що розбурюється.
(14.8, a)
де Sк.п - площа перерізу кільцевого простору між стінками свердловини та бурильних труб, м2.
Отримане за формулою (14.8,а) значення Q уточнюється перевіркою умови, що забезпечує очищення вибою свердловини від шламу
(14.8,б),
де а=0,35÷0,5 м/с при роторному способі та бурінні електробурами; а=0,5÷0,7 м/с при бурінні гідравлічними вибійними двигунами.
Якщо форма частинок шламу близька до правильного багатогранника, то мінімально необхідне значення витрати Qmin (м3/с) при ламінарному режимі перебігу бурового розчину, що забезпечує якісне очищення стовбура свердловини, можна визначити з виразу
(14.10)
де - пластична (або структурна) в'язкість, Па·с; lч - характерний розмір частки шламу, м; Rеч – число (параметр) Рейнольдса, що характеризує режим обтікання частки середовищем.
Нек - число Хедстрему для кільцевого перерізу,
(14.14)
(14.15)
Ar – параметр Архімеда; Ніч – параметри Хедстрему для частки; а1 - коефіцієнт впливу форми частинки та стінок каналу при ламінарному обтіканні; а2 - коефіцієнт впливу форми та стінок каналу при турбулентному обтіканні; δ, dч - відповідно висота та діаметр частинки (якщо форма частинок близька до правильного багатогранника, то δ,dч=l).
Параметр Reч, обчислений за формулою (14.11), порівнюється з критичним параметром
(14.18)
де Reкр - критичне значення параметра Рейнольдса, яке за Re*кp =1600 обчислюється за такою формулою
(14.19)
Якщо Reч 4 -7800 = 2.4 · 10 4
Параметр Хедстрему для кільцевого перерізу за формулою (14.12)
Критичне значення параметра Рейнольдса та критичний параметр NRe:
За формулою (14.10)
Швидкість перебігу бурового розчину в затрубному просторі становитиме