Условные схемы соединительных элементов

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
	h_c, м		Глубина скважины
	H_c, м		Длина ствола скважины
	h_ок, м		Глубина спуска обсадной колонны (ОК)
	H_ок, м		Длина ОК
	D_ок, мм		Наружный диаметр ОК
	d_ок, мм		Внутренний диаметр ОК
	D_БК, мм		Наружный диаметр буровой коронки (БК)
	d_БК, мм		Внутренний диаметр БК
	D_КТ, мм		Наружный диаметр колонковой трубы (КТ)
	d_КТ, мм		Внутренний диаметр КТ
	H_КТ, м		Длина КТ
	h_КТ, м		Длина вертикальной проекции КТ
	D_БТ, мм		Наружный диаметр бурильных труб (БТ)
	d_БТ, мм		Внутренний диаметр БТ
	H_БТ, м		Длина одной БТ
	D_СЭ, мм		Наружный диаметр соединительного элемента (СЭ)
	d_СЭ, мм		Внутренний диаметр СЭ
	H_П, м		Длина подводящей линии (от компрессора до колонны БТ)
	d_П, мм		Внутренний диаметр подводящей линии
	К_Э, мм		Эквивалентная шероховатость поверхности магистрали
	, мм		Приращение диаметров скважины и керна
	D_с, мм		Диаметр скважины
	d_К, мм		Диаметр керна
	_мех, м/ч		Механическая скорость бурения
	_ш, кг/м³		Плотность частиц шлама
	d_ш, 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
	Р_БК, ат		Потеря давления в БК
			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; = 0,1 – 2 мм; _мех = 10 – 30 м/ч; _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; = 0,7; _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

D_бт

d_сэ

d_бт

D_сэ

а)

d_бт

d_сэ

D_бт=D_сэ

D_с

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_и_i – 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

Вертикальные проекции участков движения:

= … 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 = ₀ · g · (_ш– ₀) · d_ш³ / ₀²

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)) _i = 0.

Для участков i = 3, 4, 5, 7: _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_и_i , МПа

0 1 2 3 4 5 6 7 i

_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: