TEHNOLOGIJA IZRADE BUŠOTINA I

INŽENJERSTVO NAFTE I GASA

RGF

HIDRAULIKA BUŠOTINSKIH FLUIDAP5 - HIDRODINAMIKA

Sistem cirkulacije fluida

pp < pfl < pfrak

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.

KRAJ