Условные схемы соединительных элементов. Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ-РГГРУ)

_________ ­­­­­­

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

РАСЧЁТНАЯ РАБОТА ПО ПРИКЛАДНОЙ ТЕПЛОФИЗИКЕ

Продувка скважины колонкового бурения воздухом и теплофизический расчёт компрессора

Выполнил: ст. группы

Проверил: проф. Куликов В.В.

МОСКВА, 2016 г.

Задание

Рассчитать параметры режима работы многоступенчатого поршневого компрессора с водяным охлаждением при прямой продувке скважины колонкового бурения. Произвести теплофизический расчёт компрессора.

Параметрами режима работы компрессора являются подача (расход) воздуха, развиваемое давление и развиваемая мощность.

I.В соответствии с № варианта задания и результатами последующих расчётов заполнить таблицу исходных данных.

Таблица исходных данных

№	Обозначение величины и её размерность; вид агента	Значение величины; реологическая модель агента	Наименование величины; назначение агента
	hc, м		Глубина скважины
	Hc, м		Длина ствола скважины
	hок, м		Глубина спуска обсадной колонны (ОК)
	Hок, м		Длина ОК
	Dок, мм		Наружный диаметр ОК
	dок, мм		Внутренний диаметр ОК
	DБК, мм		Наружный диаметр буровой коронки (БК)
	dБК, мм		Внутренний диаметр БК
	DКТ, мм		Наружный диаметр колонковой трубы (КТ)
	dКТ, мм		Внутренний диаметр КТ
	HКТ, м		Длина КТ
	hКТ, м		Длина вертикальной проекции КТ
	DБТ, мм		Наружный диаметр бурильных труб (БТ)
	dБТ, мм		Внутренний диаметр БТ
	HБТ, м		Длина одной БТ
	DСЭ, мм		Наружный диаметр соединительного элемента (СЭ)
	dСЭ, мм		Внутренний диаметр СЭ
	HП, м		Длина подводящей линии (от компрессора до колонны БТ)
	dП, мм		Внутренний диаметр подводящей линии
	КЭ, мм		Эквивалентная шероховатость поверхности магистрали
	δ, мм		Приращение диаметров скважины и керна
	Dс, мм		Диаметр скважины
	dК, мм		Диаметр керна
	υмех, м/ч		Механическая скорость бурения
	ρш, кг/м3		Плотность частиц шлама
	dш, мм		Эквивалентный диаметр частиц шлама
	Воздух	Ньютоновская жидкость (НЖ)	Очистной агент (ОА)
	t0, ºС		Средняя температура воздушного потока в скважине
T, К
	P0, ат		Атмосферное давление
	,		Средняя молярная масса воздуха
	,		Универсальная газовая постоянная
	R,		Удельная газовая постоянная воздуха
	, кг/м3		Плотность атмосферного воздуха
	,		Абсолютная вязкость воздуха
	к		Показатель адиабаты (изоэнтропы) для воздуха
	n		Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре
	,		Удельная изобарная теплоемкость воздуха
	,		Удельная изохорная теплоемкость воздуха
	,		Удельная политропная теплоемкость воздуха
	,		Удельная изохорная теплоемкость охлаждающей воды (хладагента)
	в ох, ºC		Приращение температуры охлаждающей воды в ступени и охладителе
	, кг/м3		Плотность охлаждающей воды
			Максимальная степень повышения абсолютного давления в ступени компрессора
	РБК, ат		Потеря давления в БК
	𝜂		Полный КПД компрессора
			КПД передачи от двигателя до компрессора
	g, Н/кг		Ускорение силы тяжести

Примечания

1. При соединении бурильных труб (БТ) «труба в трубу» D_СЭ – наружный диаметр колонны в месте соединения, d_СЭ – внутренний диаметр колонны БТ в месте соединения.

2. Рекомендуемые значения величин: H_КТ = 1,5; 3 или 6 м; H_БТ = 1,5; 3; 4,5 или 6 м; H_П = 20 –100 м; d_П = 32, 38 или 50 мм; К_Э = 0,1 мм; δ = 0,1 – 2 мм; υ_мех = 10 – 30 м/ч; ρ_ш = 3000 кг/м³; t₀ = 20 ºС; P₀ = 1 ат; = 28,97 = 8314,51 ; к = 1,4; n = 1,25; = 4180 ; _{в ох} = 40 ºC = 40 К; = 1000 кг/м³; = 10; P_БК = 1 – 4 ат; η = 0,7; η_п = 0,9; g = 9,81 Н/кг.

3. Расчёты выполнять в СИ, ответы (где это необходимо) переводить в единицы, принятые в бурении – МПа и др.

4. Ответы округлять, указывая после запятой не более двух знаков, например: 3,86 × 10⁵ Па; 0,88 МПа; 0,26 м³/с; 2,33 × 10^-5 м³/с; 0,52 × 10³ Вт; 9,57 × 10⁵ Дж/кг и т.п.

Варианты заданий

№ вариант задания

№ пункта таблицы исходных данных

II. Конструкция скважины

Условные схемы соединительных элементов

Dбт

dсэ

dбт

Dсэ

а)

dбт

dсэ

Dбт=Dсэ

Dс

Dс

б)

а) – ниппельное соединение бурильных труб;

б) – муфтовое соединение бурильных труб;

d_сэ, D_сэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;

d_бт, D_бт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;

D_с – диаметр скважины;

1 – круглый (в поперечном сечении) поток воздуха;

2 – кольцевой (в поперечном сечении) поток воздуха;

3 – области (зоны) вихрей.

III. Расчетная схема циркуляции воздушного потока

I .Компрессор

II. Ресивер компрессора

III. Предохранительный клапан

IV. Манометр

V. Термометр

VI. Расходометр

VII. Герметизатор устья скважины

VIII. Вентиль

IX. Вентилятор (эжектор)

X. Шламоуловитель

Магистраль разделена на 7 (i = 1,2,…7) участков движения жидкости.

i – номер участка движения. Участки i = 5-7 в поперечном сечении круглые, а участки i = 1-3 – кольцевые.

i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами;

i = 2 – между стенками скважины и бурильной колонной;

i = 3 – между стенками скважины и колонковой трубой;

i = 4 – на забое скважины и в буровом долоте;

i = 5 – внутри колонковой трубы;

i = 6 – внутри бурильной колонны;

i = 7 – в устьевой обвязке (в подводящей линии от бурового насоса до колонны бурильных труб).

P_иi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.

P_н – давление, развиваемое насосом.

P₀ – атмосферное давление.

IV. Длина вертикальной проекции колонковой трубы

V. Геометрические характеристики участков движения воздушного потока

a. Геометрические характеристики поперечных сечений участков

V.1. Диаметр скважины и керна

V.2. Площадь проекции забоя скважины на плоскость, перпендикулярную её оси

V.3. Площадь и эквивалентный диаметр поперечного сечения воздушного потока

Для круглого сечения геометрическим диаметром d:

В гладкой части магистрали, i = 6, 7

Внутри соединительного элемента колонны БТ, i = 6

Для кольцевого сечения, имеющего геометрические диаметры D и d:

В гладкой части магистрали, i = 1– 3, 5

Снаружи соединительного элемента колонны БТ, i = 1, 2

b. Линейные геометрические характеристики участков

Длины участков движения:

= … м

= … м

= …м

= … м

= … м

Вертикальные проекции участков движения:

= … м

= … м

= … м

= … м

VI. Эквивалентный диаметр частиц шлама

VII. Абсолютная температура воздушного потока

Процесс движения воздуха в скважине принимаем изотермным, происходящем при некоторой средней температуре

, K

VIII. Удельная газовая постоянная воздуха

IX. Плотность воздуха при выходе из скважины

кг/м³

X. Абсолютная вязкость воздуха

–

эмпирическая формула Д.М. Сазерленда.

XI. Теплоемкость воздуха

Удельная изобарная

Удельная изохорная

Удельная политропная

XII. Число Архимеда для относительного движения частиц шлама и воздуха при выходе из скважины

Ar₀ = ρ₀ · g · (ρ_ш – ρ₀) · d_ш³ / μ₀²

Число Архимеда характеризует взаимосвязь веса тела в газе (жидкости), вязкости и плотности газа (жидкости).

XIII. Скорость витания частиц шлама при выходе из скважины

–

эмпирическая формула П.Р. Риттингера

XIV. Среднее значение зенитного угла скважины на участках движения воздушного потока i = 1 – 3, 5 – 6

i = 1:

i = 2, 3, 5:

i = 6:

XV. Средняя скорость воздушного потока при выходе из скважины

= (1 + к₁) · / cos , м/с,

где к₁ – опытный коэффициент, учитывающий обеспечение достаточного охлаждения БК и выноса шлама на всех участках, к₁ = 0,1 – 0,3. Примем с запасом к₁ = 0,3.

XVI. Массовый расход воздуха на всех участках

XVII. Массовый расход шлама на всех участках

i = 1 – 3:

, кг/с

i = 4 – 7:

XVIII. Режимы движения воздуха на участках i = 1 – 3, 5 – 7

– формула Рейнольдса.

Число Рейнольдса Re характеризует отношение кинетической энергии потока газа (жидкости) и напряжения сдвига.

Для круглых сечений

Для кольцевых сечений

Если , то режим течения турбулентный.

Если , то режим течения ламинарный.

XIX. Коэффициент линейных сопротивлений движению смеси воздуха со шламом на участках i = 1 – 3, 5 – 7

Для турбулентного течения:

Для ламинарного течения:

где – опытный коэффициент Гастерштадта. При бурении коронками

Можно принять с запасом

a = 64 для круглого сечения, a = 96 для кольцевого сечения.

XX. Коэффициент местных сопротивлений движению воздуха снаружи и внутри соединительных элементов на всех участках

– эмпирическая формула Б.С. Филатова.

Для участков i = 1, 2, 6:

- при D_СЭ = D_БТ, d_СЭ < d_БТ (ниппельное соединение БТ) b = 1,5;

- при D_СЭ > D_БТ, d_СЭ < d_БТ (муфтовое соединение БТ) b = 2;

- при D_СЭ = D_БТ, d_СЭ = d_БТ (соединение БТ «труба в трубу» или непрерывная колонна БТ без СЭ (колтюбинг)) ξ_i = 0.

Для участков i = 3, 4, 5, 7: ξ_i = 0.

XXI. Сокращающие обозначения: – для участков i = 1 – 3, 5, 6 и B_i – для участков i = 1 – 3, 5 – 7

Дж²/м⁵

Для восходящего потока (i =1 – 3) – знак « + ».

Для нисходящего потока (i = 5, 6) – знак « – ».

XXII. Абсолютное и избыточное давления при входе воздушного потока на участки i = 1 – 3.

XXIII. Абсолютное и избыточное давления при входе воздушного потока на участок i = 4

XXIV. Абсолютное и избыточное давления при входе воздушного потока на участки i = 5, 6

Воспользоваться формулами пункта XXII.

XXV. Абсолютное и избыточное давления при входе воздушного потока на участок i = 7

XXVI. Скорость движения воздушного потока при входе и выходе из участков i = 1 – 3, 5 – 7

XXVII. Средняя скорость движения воздушного потока на участках i = 1 – 3, 5 – 7

= ( + ) / 2, м/с

XXVIII. Диаграммы избыточного давления и средней скорости движения воздушного потока (в вертикальном масштабе)

Р_иi , МПа

0 1 2 3 4 5 6 7 i

υ_i, м/с

0 1 2 3 4 5 6 7 i

XXIX. Плотность воздуха при выходе на все участки

XXX. Объемный расход воздуха при входе на все участки

м³/с = … м³/мин

XXXI. Объемный расход воздуха, всасываемого компрессором

м³/с = … м³/мин

XXXII. Давление, развиваемое компрессором и абсолютное давление при выходе из компрессора

, Па,

где – коэффициент запаса давления, = 1,1 – 1,3.

, Па

XXXIII. Степень повышения абсолютного давления в компрессоре

XXXIV. Минимальное число ступеней сжатия воздуха в компрессоре

где […] – обозначение целой части числа, заключенного в квадратные скобки.

XXXV. Степень повышения абсолютного давления в ступени компрессора

XXXVI. Максимальное абсолютное давление в каждой ступени

,

где j – порядковый номер ступени в направлении повышения давления, j = 1,2,…Z.

XXXVII. Максимальная температура воздуха в ступени компрессора

XXXVIII. Приращение температуры воздуха в ступени и охладителе компрессора

XXXIX. Приращение удельной внутренней энергии воздуха в ступени и охладителе

XL. Приращение удельной энтальпии воздуха в ступени и охладителе

XLI. Приращение удельной энтропии воздуха в ступени и охладителе

XLII. Удельная теплота процесса сжатия воздуха в ступени и процесса охлаждения в охладителе

XLIII. Максимальная температура воздуха в ступени компрессора при сжатии без охлаждения хладагентом

XLIV. Приращение температуры воздуха в ступени и охладителе в результате охлаждения хладагентом

XLV. Удельная теплота, отводимая от воздуха к хладагенту в ступени и охладителе

XLVI. Объемный расход хладагента в ступени и в охладителе

м³/с = … л/мин

м³/с = … л/мин

XLVII. Удельная теоретическая работа компрессора

XLVIII. Удельная фактическая работа компрессора

XLIX. Мощность компрессора

L. Мощность двигателя компрессора

По значениям и производится выбор подходящего компрессора. Правильность выбора проверяется по значению . Для подходящего компрессора оформить таблицу: