Upload
dangdung
View
245
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
2. Delovanje fluida u dinamičkim uslovima
Kada su isplaka i bušaći alat u kretanju, definisanje pritisaka koji se tom prilikom ostvaruju u raznim tačkama kanala bušotine je veoma kompleksno. Efekat sile trenja, tj. gubici pritiska moraju biti matematički definisani za sledeće tehnološke postupke pri izradi bušotine:
- Cirkulacioni pritisak ostvaren na dno bušotine, ili ekvivalentna gustina isplake tokom cirkulacije za vreme bušenja ili cementacije
- Pritisak ostvaren na dno bušotine ili ekvivalentna gustina isplake za vreme manevra bušaćim alatom
- Ostvareni optimalni pritisak na isplačnoj pumpi, kapacitet ispiranja isplačnom pumpom i veličine mlaznica ugrađene u dleto za vreme bušenja
- Sposobnost iznošenja nabušenog materijala cirkulacijom isplake
- Pritisak na dnu bušotine i na površini (ustima bušotine) koji će se ostvariti za vreme gušenja dotoka slojnih fluida u kanal bušotine, uz primenu različitih gustina isplake
Osnovni fizički zakoni koji se uobičajeno primenjuju kod kretanja ispirnih fluida, tj. u dinamičkim uslovima su:
- Zakon o ravnoteži (održanju) mase
- Zakon o ravnoteži (održanju) energije
Osnovni reološki modeli koji simuliraju kretanje fluida u kanalu bušotine i koji se odgovarajućim jednačinama primenjuju za opisivanje fizičkih zakona kod kretanja fluida u tehnologiji bušenja su:
- Njutnov model
- Binghamov plastični model
- Model prema stepenom zakonu, “Power-Law model”
Zakon o ravnoteži (održanju) mase
U tehnologiji bušenja ovaj zakon se uvažava kao princip da su kapacitet protoka isplake (kao nestišljivog fluida) i zapreminska masa (gustina) isti u svim tačkama u kanalu bušotine. Na osnovu toga prosečna brzina kretanja, odnosno protoka isplake u posmatranoj tački, definisana je kao kapacitet protoka isplake po jedinici površine, prema jednačini:
gde su:v - prosečna brzina isplakeQ - kapacitet protoka isplake u jedinici vremenaA - površina u posmatranoj tački
( )25LLLLAQv =
Prosečna brzina isplake u raznim delovima bušotine neće biti ista, iako je kapacitet protoka u svim tačkama bušotine isti. Za tehnologiju bušenja bitno je poznavanje sledećih veličina prosečne brzine isplake:
U unutrašnjosti bušaćeg alata: U međuprostoru bušaći alat - kanal bušotine:
( )2622,21 2 LLLLLIDQv = ( ) ( )2722,21 22 LLLL
ODDQv
d −=
gde su:v - srednja, brzina isplake (m/s)Q - kapacitet protoka isplake (lit/min)ID - unutrašnji prečnik bušaćeg alata (mm)Dd - prečnik dleta ili kanala bušotine (mm)OD - spoljašnji prečnik bušaćeg alata (mm)
Isplakom gustine ρis = 1,20 kg/dm3 cirkuliše se u kanalu bušotine kapacitetom ispiranja od Q = 1.200 lit/min. Koristi se sledeći bušaći alat:
Izračunati prosečne brzine isplake u:
1. Bušaćim šipkama, vb.š
2. Teškim šipkama, vt.š
3. Međuprostoru teške šipke-kanal bušotine, va.tš
4. Međuprostoru bušaće šipke-kanal bušotine, va.bš
Bušaće šipke Teške šipke Dletospoljašnji prečnik:ODb.š=127mm (5”)unutrašnji prečnik:IDb.š=109,98mm (4,33”)
spoljašnji prečnik:ODt.š=158,75mm (6,25”)unutrašnji prečnik:IDt.š=63,5mm (2,5”)
prečnik:Dd=215,9mm (8,5”)
Primer:
Rešenje:
Primenom jednačina 26 i 27 dobija se:
1.
2.
3.
4.
smIDQv
šbšb /10,2
98,109200.122,2122,21 22
.. ===
smIDQv
štšt /31,6
5,63200.122,2122,21 22
.. ===
( ) ( ) smODDQv
štdtša /19,1
75,1589,215200.122,2122,21 222
.2. =
−=
−=
( ) smODDQv
šbdbša /84,0
1279,215200.122,2122,21 222
.2. =
−=
−=
2.1. Protok kroz mlaznice u dletu
Šematski prikaz nekompresivnog tečenja fluida kroz veoma kratki sistem, kao što su mlaznice u dletu, prikazan je na Sl.10.
Sl.10. Protok isplake kroz mlaznicu u dletu
gde su:p1 - pritisak na ulazu u sistem (bar)ρis - gustina fluida u sistemu, tj. isplake (kg/dm3)Z2 - krajnja dužina sistema (m)Z1 - početna dužina sistema (m)v2 - brzina isplake na izlazu iz sistema (m/s)v1 - brzina isplake na ulazu u sistem (m/s)pp - pritisak ostvaren pumpom u sistemu između tačaka 1 i 2 (bar)pf - gubitak pritiska usled trenja u sistemu (bar)p2 - pritisak na izlazu iz sistema (bar)
( ) ( ) ( )31109985409810 21
22
31212 LLLLfpisis ppvv,ZZ,pp Δρρ −+−⋅⋅⋅−−⋅⋅+= −
Inženjeri za bušenje načešće rade sa suštinskim nekompresivnim fluidima koji imaju konstantnu specifičnu zapreminu “V”.
Uvođenjem oznake Δpd gubitak pritiska kroz mlaznice (p1-p2) i rešavanjem gornje jednačine po brzini mlaza (vml), na izlazu iz mlaznica, dobija se:
2312 1099854 mlis v,pp ⋅⋅⋅−= − ρ
is
dml
pvρ⋅⋅
Δ= −3109985,4
- Promena pritiska u funkciji dužine sistema (Z2≈Z1) zanemarljiva,
- Brzina isplake na ulazu u sistem (v1≈0), tj. brzina proticanja iznad mlaznica zanemarljiva u poređenju sa brzinom mlaza (v2=vml),
- Gubitak pritiska usled trenja iznad mlaznica (Δpf ≈ 0) i pritisak ostvaren na ulazu u sistem (pp = 0), zanemarljivi.
Redukcija jednačine 31 daje:
Stvarna brzina mlaza na izlazu iz mlaznica je uvek manja od vrednosti dobijenih navedenom jednačinom, tako da se uvodi korekcioni faktor (Cml), dobijen eksperimentalnim putem koji iznosi Cml = 0,95.
Jednačina za određivanje brzine mlaza na izlazu iz mlaznica, ako su poznati pad pritiska u dletu i gustina isplake:
gde su:Δpd - pad pritiska kroz mlaznice u dletu (bar)ρis - gustina isplake (kg/dm3)
Dleto za bušenje ima više mlaznica, tj. koliko i konusa (uobičajeno tri mlaznice kod trokonusnih dleta), ali je i tada pad pritiska (Δpd) kroz sve mlaznice u dletu isti pa samim tim je i brzina mlaza (vml) kroz sve mlaznice ista.
is
dmlml
pCvρ⋅⋅
Δ= −3109985,4
( )3244,13 LLLLis
dml
pvρ
Δ=
Brzina mlaza na izlazu iz mlaznica data je jednačinom:
gde su:Q - kapacitet protoka isplake (lit/min)At - ukupna površina mlaznica u dletu (mm2),
( )3366,16 LLLLt
ml AQv =
Sl.11. Protok kroz tri paralelne mlaznice
gde je:
d1, d2, d3 - prečnik svake mlaznice (mm)
( ) ( )344
23
22
21 LLLLdddAt ++= π
Kombinacijom jednačina 32 i 33 i rešavanjem iste po padu pritiska, dobija se jednačina za izračunavanje pada pritiska kroz mlaznice u dletu:
gde su:Q - kapacitet protoka isplake (lit/min)ρis- gustina isplake (kg/dm3)At - ukupna površina mlaznica (mm2)
( )355366,1 2
2
LLLLt
isd A
Qp ⋅=Δ ρ
Površina mlaznica data je jednačinom:
Isplaka gustine ρis= 1,20 kg/dm3 protiče kroz tri mlaznice u dletu. Prečnik jedne mlaznice je: d1 = 10,3 mm, druge: d2 = 9,5 mm i treće: d3 = 9,5 mm. Kapacitet protoka isplake je Q = 1.200 lit/min. Izračunati brzinu mlaza na izlazu iz mlaznica i pad pritiska kroz mlaznice dleta.
Rešenje:
Ukupna površina mlaznica, prema jednačini 34, iznosi:
Brzina mlaza na izlazu iz mlaznica, prema jednačini 33, je:
Pad pritiska kroz mlaznice u dletu, jednačina 35, je:
( ) ( ) 222223
22
21 092255959310
44mm,,,,dddAt =++=++= ππ
s/m,,
,AQ,vt
ml 828809225
120066166616 ===
barAQpt
isd 41,52
09,225200.120,15366,15366,1 2
2
2
2
=⋅=⋅
=Δρ
Primer:
2.1.1. Hidraulička snaga
Kako je snaga brzina obavljanja rada, energija ispirne pumpe (Eis.p), može se preobratiti u hidraulučku snagu isplačne pumpe (Psh) množenjem (Eis.p)sa masom količine protoka (ρ·Q).
Jednačina za hidrauličku snagu na ispirnoj pumpi glasi:
gde je:
Psh - hidraulička snaga ostvarena na isplačnoj pumpi (kW)
pp - ukupni pritisak na isplačnoj pumpi (bar)
Q - kapacitet protoka isplake (lit/min)
( )36600
LLLLQp
P psh
⋅=
Pod uslovom da se zanemari gubitak pritiska kroz površinsku opremu, bušaći alat i međuprostor kanala bušotine, tj. razmatra samo pad pritiska kroz mlaznice u dletu (Δpd), tada je hidraulička snaga ostvarena na mlaznicama dleta data jednačinom:
gde su:
Phd - hidraulička snaga na dletu (kW)
Δpd - pad pritiska kroz mlaznice dleta (bar)
Q - kapacitet ispiranja protoka ispirnom pumpom (lit/min)
( )37600
LLLLQpP d
hd⋅= Δ
2.2. Izbor mlaznica u dletu
Svrha ugradnje mlaznica u dleto je da se poboljša efekat čišćenja dna bušotine isplakom, što bitno utiče na razrušavanje stena.
Nakon razrušavanja stene, krhotine sa dna se odstranjuju manje mehaničkim putem (zubima dleta), a više hidrauličkim tokom mlaza, jer veći deo krhotina usled diferencijalnog pritiska ostaje pritisnut na dno bušotine.
Mlaznice za dleto izrađuju se u raznim dimenzijama koje su standardizovane, a označavaju se u 32 delovima inča. Npr., ako se u dleto ugrade mlaznice 12-13-13, to znači da jedna mlaznica ima prečnik 12/32”, a druge dve su prečnika 13/32”.
Za ugradnju u dleta na raspolaganju su sledeći prečnici mlaznica:
8/32”(6,3mm); 9/32”(7,1mm); 10/32”(7,9mm); 11/32”(8,7mm);12/32”(9,5mm); 13/32”(10,3mm); 14/32”(11,1mm); 15/32”(11,9mm)16/32”(12,7mm); 17/32”(13,5mm); 18/32”(14,3mm); 19/32”(15,1mm); 20/32”(15,9mm)
Izbor mlaznica je jedan od zadataka osoblja na bušaćem postrojenju, a uobičajeni parametri za dizajniranje hidraulike na dletu, tj. za izbor veličine mlaznica su:- Maksimalna hidraulička snaga na dletu
- Sila udara mlaza
- Maksimalna brzina mlaza
2.2.1. Maksimalna hidraulička snaga na dletu
Raspoloživa hidraulička snaga na dletu definiše se kao funkcija proizvoda pada pritiska na dletu i količine ispirnog fluida:
Gde su:k = konstanta za usklađivanje jedinicaΔpd = pad pritiska kroz mlaznice dleta
QpkP ddh ⋅Δ⋅=
Kod primene efekta maksimalnih hidrauličkih snaga na dletu prečnik mlaznica treba tako odabrati da pad pritiska na dletu iznosi 2/3 od pritiska ostvarenog na isplačnoj pumpi:
( )403266,034,0 LLLLppppd ppppp ⋅≈⋅=⋅−=Δ
pp - ukupni pritisak ostvaren na isplačnoj pumpi
Maksimalna hidraulička snaga na dletu, obično se izražava kao specifična hidraulička snaga po prečniku bušenja, tj. po površini dna bušotine, sledećom jednačinom:
222 107854,0
4
−⋅⋅=
⋅=
d
hd
d
hdhd D
P
D
PSP π.............(41)
gde su:SPhd - specifična hidraulička snaga po površini dna (kW/cm2)
Dd - prečnik bušotine, dleta (mm)Phd - hidraulička snaga na dletu (kW)
Praksa je pokazala da su vrednosti specifičnih hidrauličkih snaga po površini dna optimalne u granicama 0,30 - 0,46 (kW/cm2), a da primena vrednosti iznad 0,60 (kW/cm2) ima negativno dejstvo na brzinu bušenja,jer izaziva prevremena oštećenja dleta.
2.2.2. Sila udara mlaza
U vreme kada je početo sa ugradnjom mlaznica u dleta, smatralo se da se maksimalno čišćenje dna bušotine postiže maksimalnom hidrauličkom silom udara kroz mlaznice dleta, tako što se sva snaga fluida u kretanju usmeri nadno bušotine, prema jednačini:
dismlsd pQCF Δ⋅⋅⋅= ρ024,0
gde su:Fsd - hidraulička sila udara mlaza (daN)Cml - korekcioni faktor (0,95)Q - kapacitet ispiranja (lit/min)
- gustina isplake (kg/dm3)- pad pritiska kroz mlaznice dleta (bar)
isρdpΔ
Optimalna sila udara na dletu javlja se kada pad pritiska na dletu iznosi 1/2, od pritiska ostvarenog na isplačnoj pumpi:
ppppmpd PPPPpPp ⋅≈⋅=⋅−=Δ−=Δ2149,051,0
2.2.3. Maksimalna brzina mlaza
Maksimalna brzina mlaza kroz mlaznice dleta zasniva se na činjenici da je brzina mlaza proporcionalna kvadratnom korenu pada pritiska na dletu zadatu gustinu isplake:
( ) 5,05,0mpdml ppkpkv Δ−=Δ⋅=
iz ove jednačine sledi: ( ) 5,09,1Qkpkv mpml ⋅−=
( )( ) 0
29,1
5,09,1
9,0
=⋅−
⋅⋅−=QkpQkk
dQdv
mp
ml
Q = 0 Brzina isticanja može se povećati smanjenjem kapaciteta ispiranja putem smanjenja prečnika mlaznica, ali samo do određene vrednosti Q, a to je Qmin, tj. minimalno potrebna količina ispiranja za iznošenje nabušenih čestica koja je u funkciji: prečnika dleta, brzine bušenja, reoloških osobina isplake i drugih faktora. U praksi, optimalna brzina kroz mlaznice dleta, pri minimalnom kapacitetuispiranja je vml = 100-120 m/s.