Основные теоретические положения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим работам

по курсу «Механика сплошной среды»

Новочеркасск 2006

УДК 622.244 (076.5)

ББК 33.1я 73

Т 66

Рецензент – д-р геол.–минер. наук И.А. Богуш

Третьяк А.Я., Рыбальченко Ю.М., Вейсман А.Д.

Т 66 Методические указания к практическим работам по курсу «Механика сплошной среды» / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - 48 с.

Приведена методика решения основных задач механики сплошной среды применительно к сооружению нефтяных и газовых скважин, а также их эксплуатации. Содержатся варианты заданий и методика проведения расчетов по основным темам дисциплины.

Предназначены для студентов II курса специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» всех форм обучения.

УДК 622.244 (076.5)

ББК 33.1я 73

©Южно-Российский государственный

технический университет, 2006

© Третьяк А.Я., Рыбальченко Ю.М.,

Вейсман А.Д., 2006

Введение

Механика сплошной среды – наука о движении газообразных, жидких и твердых, деформируемых тел. Газ, жидкость, твердое деформированное тело рассматриваются как среда, непрерывно (сплошным образом) заполняющая часть пространства, занятого телом, т.е. говорят, что является непрерывным КОНТИНУУМОМ. Эта идеализация необходима, в частности, для использования аппарата математического анализа.

В бурении представлен широкий спектр научных проблем по механике и физике, химии и физической химии. И все же определяющей служит механика. С позиции механики буровой и цементный растворы, горные породы и содержащиеся в них флюиды, материал из которых изготовлены бурильные и обсадные трубы, – сплошные среды. Поэтому их движение, деформирование, устойчивость и разрушение изучаются на основе законов гидромеханики, теории фильтрации, механики разрушения и других разделов механики сплошной среды.

Если твердые тела в бурении (бурильные и обсадные трубы, долота, металлические конструкции, канаты, валы, зубчатые и цепные передачи и др.) испытывают в процессе эксплуатации деформации растяжения – сжатия, сдвига, изгиба и кручения, то основной вид деформации для жидкостей и газов – течение.

В теоретической механике изучаются движения материальных точек и абсолютно твердого тела. В механике сплошной среды с помощью и на основе методов и данных, развитых в теоретической механике, рассматриваются движения тел с изменяющимися расстояниями между точками во время движения.

Механика сплошной среды возникла в связи с решением таких простейших задач, как установление закономерностей истечения жидкостей из сосудов, просачивания жидкости через грунт, прогиба балок, находящихся под нагрузкой, и т.д.

В настоящее время механику сплошной среды разделяют на две крупные области:

- механику жидкости и газа (гидромеханику);

- механику твердых деформируемых тел.

Гидромеханика включает в себя разделы:

- механика идеальной жидкости;

- механика вязкой, или ньютоновской жидкости;

- механика невязкой, или неньютоновской жидкости;

- механика турбулентных течений;

- механика фильтрационных течений;

Механика деформируемых тел состоит из:

- теории упругости;

- теории пластичности;

- теории ползучести;

- механики сыпучих тел;

- теории прочности и механики разрушения.

Практическое занятие № 1

Тема. Определение величины гидростатического (гидромеханического) давления создаваемого на забое скважины при проведении работ на ней.

Основные теоретические положения

Нефтяная (газовая) скважина в процессе сооружения (бурения), эксплуатации (добычи УВ) и капитального ремонта (КРС) всегда заполнена жидкостью до устья или на какую-то высоту от забоя (рис. 1.1):

– при бурении – циркулирующим или покоящимся промывочным (буровым) раствором определенной плотности ρ_ж и свойств (параметров);

– при цементировании (креплении) – циркулирующим или покоящимся тампонажным (цементным), буровым, буферным, продавочным растворами;

– при испытании на продуктивность пластов (вызове притока) и освоении скважины – циркулирующими или находящимся в покое технологическими жидкостями, глинистым или аэрированными растворами, водой, нефтью или газовым конденсатом;

– при КРС – циркулирующими или покоящимися технологическими жидкостями различной плотности ρ_ж и других параметров (жидкости глушения и освоения). Поэтому технологу – нефтянику всегда необходимо знать, какое по величине гидростатическое (гидромеханическое) давление создается на забое скважины при выполнении вышеперечисленных работ.

Рис. 1.1

Для этого применяется основное уравнение гидростатики:

, (1.1)

где Р_г.ст – гидростатическое давление столба жидкости на забой, Па;

– плотность жидкости, кг/м³;

- сила тяжести, Н/кг;

– высота столба жидкости, м;

– давление на свободной поверхности (атмосферное давление), Па.

В случае покоящейся жидкости (когда к ней приложена только сила тяжести) давление во всех точках одной и той же горизонтальной плоскости будет одинаковым (зависит только от глубины погружения Н или вертикальной координаты точки).

Давление Р_г.ст., Па_. – пропорционально глубине погружения Н.

Выражение (1.1) получается особенно простым для манометрического (избыточного) давления внутри жидкости со свободной поверхностью без учета атмосферного давления :

,

Уровни жидкости в скважине бывают статические h_ст и динамические h_дин, м.

Статический уровень – уровень столба жидкости, при котором пластовое давление Р_ст уравновешивается гидростатическим Р_г.ст давлением столба жидкости в скважине (Р_пл=Р_г.ст, скважина в покое), м;

– понижение (расстояние между статическим и динамическим уровнями), м.

Динамическим уровнем – называется уровень жидкости, который устанавливается в скважине при откачке жидкости из нее или при подливе жидкости в нее.

Задача № 1. Определить гидростатическое давление на забой нефтяной скважины глубиной Н, заполненной жидкостью, имеющей плотность ρ_ж до устья (необходимые данные принять по вариантам, табл. 1.1)

Таблица 1.1

Варианты заданий

№ п/п

Параметры скважины

Варианты

Глубина Н, м.

Вид жидкости

Глинистый раствор

Полимербентонитовый раствор

Нефть

Вода

Аэрированный раствор

Утяжеленный раствор

Глинистый раствор

Глинистый раствор

Нефть

Утяжеленный раствор

Утяжеленный раствор

Утяжеленный раствор

Плотность жидкости ρж,(кг/м3)