TECHNOLOGY OFDRIILING FLUIDSDr Renato Bizjak
KARAKTERISTIKE BUAIH FLUIDA U statikim uslovima: kada isplaka i alat u kanalu buotine miruju; U dinamiki uslovima: kada se isplaka kree kao rezultat rada isplane pumpe ili pokretanja buaih alatki. Pod buaim fluidom podrazumevaju se sva vrste fluida koje se koriste u procesu izrade buotine, a ''isplaka'' predstavlja suspenziju vrste faze u vodi ili ulju, ili kapljice jedne od ovih tenosti dispergovane u drugoj.
Hidrauliki sistem isplake u kanalu buotine moe delovati:
Hidrauliki sistem igra aktivnu ulogu za vreme buenja jer ispravno dizajnirana i odravana hidraulika bitno utie na sigurnost radova i na smanjenje trokova izrade buotine.
HIDRAULIKA BUENJA Kontrola povrinskih pritisaka Izazivanje efekta potiska na buai alat i zatitne ceviMinimalizacija erozije kanala buotine, koju ostvaruje isplaka za vreme pokretanja alata ienje dleta, uklanjanje nabuenih estice sa dna buotine i iznoenje iz buotine Poveavanje brzine buenja Odreivanje dimenzija, tj. veliine povrinske opreme, kao to su npr. isplane pumpe Kontrolisanje poveanja pritiska stuba isplake ostvarenog tokom sputanja alata u buotinu Minimalizacija klipovanja u buotini, tj. pad pritiska kada se alat vadi iz buotine Omoguavanje procene porasta pritiska u kanalu buotine u toku cirkulacije isplakom Omoguavanje kontrole buotine za vreme dotoka slojnih fluida Hidrostatika, nauka koja prouava ravnoteu fluida i hidrodinamika, nauka koja prouava kretanje fluida, nazivaju se zajednikim imenom ''Hidraulika'' ili ''Hidrodinamika''. Tenosti i gasovi kao predmet hidraulike, za razliku od vrstih tela, nazivaju se zajednikim imenom fluidi. Ispravno dizajniran i odravan hidrauliki sistem u kanalu buotine ostvaruje mnogobrojne funkcije, od kojih su najvanije:
DELOVANJE FLUIDA U STATIKIM USLOVIMA Pritisak stuba tenog fluida (isplake) Promene hidrostatikog pritiska stuba tenog fluida (isplake) sa dubinim prikazane su na slici, delovanjem vertikalnih sila na elemenat ' '' tenog fluida na dubini ''Z'' i povrinu ''A''. Sila koja deluje sa gornje strane elementa tenog fluida , ostvarena je sa pritiskom ''p'' na povrinu ''A'' , jednainom: Istovremeno sila koja deluje na elemenat tenog fluida sa donje strane data je sa : Takoe, elemenat tenog fluida deluje i svojom teinom usled dejstva gravitacije, tj. silom na dole: Na osnovu slike jasno je da je elemenat tenog fluida koji se nalazi u njegovom stubu u ravnotei, to se moe prikazati sledeom jednainom:
Zamenom vrednosti za sile koje deluju na elemenat tenog fluida u gornju jednainu, i njenim reavanjem dobija se: Kako je kompresibilitet tenog fluida zanemarljiv, a njegova gustina konstantna sa porastom dubine Z, daljim reavanjem gornje jednaine dobija se: Pod uslovom da je na povrini (Z=0) pritisak, po= 0, dobija se konana jednaina za izraunavanje hidrostatikog pritiska, odnosno pritiska stuba tenog fluida u kanalu buotine koja glasi: gde su: - gustina (zapreminska masa) tenog fluida g - gravitaciono ubrzanje Z - vertikalna dubina stuba tenog fluida, tj. vertikalna dubina buotine
U SI sistemu jedinica mera, hidrostatiki pritisak se izraava Paskalima (Pa), pod uslovom da je: gustina tenog fluida data u kg/m3, gravitaciono ubrzanje u m/s2 i duina stuba tenog fluida u metrima (m). Zamenom ovih vrednosti u jednainu 1 dobija se jednaina za izraunavanje vrednosti hidrostatikog pritiska tenog fluida izraenog u Pa koja glasi: Jednaine 2 ukazuje da je hidrostatiki pritisak koji ostvaruje stub tenog fluida u funkciji gustine fluida i razmatrane vertikalne dubine kanala buotine, a ne kose, tj. merene duine kanala buotine. Iz praktinih razloga, u tehnologiji buenja sa projektovanjem gustina isplake se meri, a i uobiajeno prikazuje u kg/dm3, i tada se hidrostatiki pritisak isplake izraava u izvedenoj jedinici SI sistema u barima (bar), koristei sledee relacije: Sreivanjem gornjeg izraza konana jednaina za izraunavanje hidrostatikog pritiska isplake izraenog u barima, koja se uobiajeno upotrebljava u tehnologiji buenja sa projektovanjem, glasi: ph - hidrostatiki pritisak isplake (bar); - gustina isplake (kg/dm3); Z - vertikalna dubina kanala buotine (m)
Hidrostatiki pritisak stuba tenog fluida sa vie razliitih gustina Kod izraunavanja hidrostatikog pritiska u funkciji dubine buotine, mora se posebno definisati efekat svakog segmenta, tj. sekcije (isplaka, voda, cement i drugo). Bitno je naznaiti da je hidrostatiki pritisak na dnu bilo koje sekcije jednak hidrostatikom pritisku na vrhu sledee sekcije. Ako je pritisak na vrhu prve sekcije poznat i iznosi po, pritisak na dnu prve sekcije e biti izraunat jednainom: Pritisak na dnu prve sekcije (I), je jednak pritisku na vrhu druge sekcije (II). Pritisak na dnu druge sekcije dat je jednainom: Generalno, hidrostatiki pritisak na bilo kojoj vertikalnoj distanci dubine Z, moe se prikazati jednainom:
Primer:Izraunati ostvareni hidrostatiki pritisak stuba kompleksnog fluida, na levoj strani U-cevi koja je zatvorena (pb). Desna strana U-cevi je otvorena, tj. pritisak na njenom vrhu iznosi po=0. Sastav kompleksnog stuba tenog fluida prikazan je na slici: Reenje:Hidrostatiki pritisak stuba kompleksnog fluida na strani zatvorenog kraja U-cevi, moe se izraunati primenom sledee jednaine:
Statiki pritisak stuba gasa u buotini Promena pritiska sa dubinom stuba gasa u statikim uslovima je mnogo sloenija nego statikog stuba tenosti. Gas spada u stiljive fluide, tako da gustina gasa zavisi od pritiska i temperature u kanalu buotine. Ponaanje gasa moe se opisati primenom jednaine za realni gas definisanom sa: gde su: p - apsolutni pritisak; V - zapremina gasa; n - moli gasa; z - faktor stiljivosti gasa; R - univerzalna konstanta; T - apsolutna temperatura; m - masa gasa; M - molekularna masa Faktor stiljivosti gasa z uveden je u cilju uporeivanje ponaanja realnog gasa sa idealnim gasom. Idealni gasovi su oni kod kojih se moe zanemariti meumolekularno delovanje, odnosno razliite interakcije meu molekulima i tada faktor stiljivosti idealnog gasa iznosi 1. Za prirodni gas faktor stiljivosti moe se odrediti eksperimentalno u funkciji temperature i pritiska.
Gustina gasa moe se prikazati kao funkcija pritiska zamenom u prethodnoj jednaini, i reavanjem te jednaine za gustinu gasa:Primenom SI jedinica, uobiajenih u tehnologiji buenja, dobija se: gde su: - gustina gasa u buotini (kg/dm3) pg - pritisak stuba gasa (bar) M - molekularna teina gasa z - faktor stiljivosti gasa T - temperatura (0C)
U tehnologiji buenja tj. u pojedinim operacijama na izradi buotine neophodno je ponekad izraunati pritisak stuba gasa koji on ostvaruje na dno buotine, ili oekivani pritisak gasa na ustima buotine, ili pak prosenu gustinu gasa u buotini. Sledee jednaine, pod uslovom da stub gasa u buotini nije male duine, mogu se koristiti za: Pritisak stuba gasa na dnu buotine: Pritisak gasa na ustima buotine: Prosena gustina gasnog fluida u buotini: gde su:pSL - slojni pritisak (bar); pgd - pritisak stuba gasa na dnu buotine (bar); pg.us - pritisak gasa na ustima buotine (bar); - prosena gustina gasnog fluida u buotini (kg/dm3); Z - vertikalna dubina buotine (m); q - specifina teina gasa u odnosu na vazduh (kod istranih buotina se uzima metan, gde je q= 0,554 d.j.); Tpr - prosena temperatura u buotini (oC): Tpr=Tp+Td/2 (oC), gde su: Tp -temperatura na ustima buotine(oC), a Td - temperatura na dubini Z(oC)
Ekvivalentna gustina isplake: Tokom izrade buotine, u statikim uslovima, esto se deava da istovremeno u kanalu buotine deluje pritisak stuba isplake, pritisci vie stubova fluida razliitih gustina i dodatni pritisak na povrini usled dotoka fluida, to sve zajedno daje totalni pritisak u buotini na odreenoj dubini.
Suma tih pritisaka iskazuje se u poveanju gustine isplake tj. u tkz. ekvivalentnoj gustini isplake koja deluje u statikim uslovima na odreenoj dubini.
Da bi se definisalo stanje ravnotee pritiska u statikim uslovima u buotini sa potrebnom isplakom za uspostavljanje ravnotee, treba razmatrati ekvivalentnu gustinu isplake, a ne gustinu isplake.
Za praktinu primenu, ekvivalentna gustina isplake odreuje se jednainom: gde su: - ekvivalentna gustina isplake (kg/dm3) phu - ukupni pritisak stuba fluida (raznih gustina), u statikim uslovima (bar) Z - vertikalna dubina buotine (m) pi - ostvareni pritisak na povrini (bar)
U odnosu na ekvivalentnu gustinu isplake u kanalu buotine treba napomenuti sledee: Kada stub isplake miruje, tj. buotina je otvorena, bez cirkulacije, ili ako je buotina puna, ekvivalentna gustina isplake je jednaka prosenoj gustini isplake ;
Kada buotina nije puna zbog gubitka cirkulacije, ili neredovnog dopunjavanja meuprostora, ekvivalentna gustina isplake e biti nia od gustine isplake u buotini;
Kada je ue buotine zatvoreno i pod pritiskom, ekvivalentna gustina isplake e biti vea od gustine isplake u buotini;
U toku manevra alatom prilikom vaenja alatki, zbog efekta klipovanja, ekvivalentna gustina isplake e biti nia od gustine isplake, a prilikom njihovog sputanja vea.
Primer:Gustina isplake iznosi: kg/dm3Pri zatvorenoj buotini, bez cirkulacije, ostvaren je pritisak na ustima buotine od pi = 30 bar. Izraunati vrednost ekvivalentne gustine isplake ( ) u buotini na dubinama: Z = 500m, Z = 1.000m i Z = 2.000m. Reenje: Primenom jednaina:
dobijeni rezultati prikazani su u narednoj tabeli: Vrednost ekvivalentne gustine isplake, kod zatvorene buotine u statikim uslovima sa ostvarenim pritiskom na ustima buotine, znatno se razlikuje od vrednosti gustine isplake i to u zavisnosti od posmatrane dubine buotini. To je od posebnog znaaja u formacijama na manjim dubinama, jer ekvivalentna gustina isplake u istima moe izazvati lom, odnosno frakturu. kg/dm3kg/dm3
Uzgon, potisak isplake Buai alat, zatitne cevi i drugo tokom operacija na izradi buotine su uronjeni (potopljeni) u isplaku i na njih deluje odreena rezultantna sila koja je posledica delovanja hidrostatikog pritiska. Pod dejstvom te rezultantne sile buai alat, zatitne cevi i drugo nalaze se pod aksijalnim optereenjem (istezanja ili sabijanja), a to moe da izazove savijanje alata u buotini. Ta rezultantna sila predstavlja efekat istog delovanja hidrostatikog pritiska na tela uronjena u teni fluid (isplaku), i naziva se uzgon ili potisak bouyancy. Delovanje hidrostatikog pritiska na bokove (sa strane) prizme na bilo kojoj dubini, tj. duini prizme je uravnoteeno, odnosno jednako delovanju hidrostatikog pritiska sa suprotne strane. Tada je delovanje tenog fluida na prizmu rezultat sile F1, koja deluje na vrh prizme i sile F2 koja deluje na dno prizme. Sile F1 i F2 definisane su sa proizvodom hidrostatikog pritiska (p1 i p2) i povrine poprenog preseka prizme A. Tada rezultanta sila, tj. sila potiska Fbo iznosi:
Primenom Arhimedovog zakona o gubitku teine, sila vertikalnog potiska, uzgona (Fbo) na tela uronjena u teni fluid (isplaku) jednaka je teini istisnute tenosti i suprotnog je smera. odnosa, sila potiska se moe izraziti: Tada se prividna teina tela uronjenog u teni fluid definie sledeom jednainom: Primenom SI jedinica uobiajenih u tehnologiji buenja, i uz pretpostavku da uobiajena gustina elika ( ) od kojih se izrauju alati u naftnoj industriji iznosi 7,85 kg/dm3 i zamenom u gornju jednainu dobija se konana jednaina za izraunavanje prividne teine buaeg alata uronjenog, tj. potopljenog u isplaku: Te - prividna teina buaeg alata uronjenog u isplaku (daN)T - teina buaeg alata u vazduhu (daN) - gustina isplake (kg/dm3) - gustina elika od kojeg se sainjen buai alat (7,85 kg/dm3)
Primer:Izraunati prividnu teinu buaeg alata koji visi na kuki, a uronjen je u isplaku: Buai alat sputen je u isplaku i nalazi se na vetikalnoj dubini buotine od Z= 3.000mGustina isplake u buotini je: kg/dm3 Sastav buaeg alata je sledei: Reenje:Teina buaeg alata u vazduhu iznosi: Teina buaeg alata koji visi na kuki, a potopljen je u isplaku iznosi:
Aksijalno naprezanje u buaem alatu Tokom operacija na izradi kanala buotine potrebno je ponekad izraunati aksijalno naprezanje za datu taku, tj. dubinu u buaem alatu. Aksijalno naprezanje definie se deljenjem aksijalne sile sa povrinom poprenog preseka elika od kojeg se sastoji alat. Na slici dat je ematski prikaz buaeg alata u kanalu buotine gde se donji deo sastoji iz kompozicije tekih ipki, a gornji deo sainjavaju buae ipke. Delovanje aksijalne sile na teke ipke prikazano je na sloici a i odreeno jednainom ravnotee koja glasi: Aksijalna sila koja deluje na buae ipke, tj. na ukupni niz buaeg alata prikazan je na slici b, i definisano je sledeom jednainom ravnotee: Aksijalno naprezanje u buaem alatu (tekim ili buaim ipkama) dobija se, delenjem aksijalne sile sa povrinom poprenog preseka elika prema jednaini:
gde su:
Wt. - teina tekih ipki po jedinici duine u vazduhu (daN/m)Xt. - duina tekih ipki od dna do take interesovanja (m) p2 - hidrostatiki pritisak stuba isplake u taki 2, tj. na dnu tekih ipki (bar) A2 - povrina poprenog preseka elika tekih ipki (cm2) Fd - sila (optereenje) primenjeno na dleto (daN)Ft. - aksijalna sila (istezanje) koje deluje na teke ipke (daN)
Fb. - aksijalna sila (istezanje) koje deluje na buae ipke (daN)Wb. - teina buaih ipki po jedinici duine u vazduhu (daN/m)Xb. - duina buaih ipki od vrha tekih ipki do take interesovanja (m) p1 - hidrostatiki pritisak, tj. pritisak stuba isplake u taki 1, odnosno na dnu buaih ipki ili vrhu tekih ipki (bar) A1 - povrina poprenog preseka buaih ipki (cm2)
- aksijalno naprezanje u buaem alatu (bar) F - aksijalna sila (optereenje) na buae ili teke ipke (daN) A - povrina poprenog preseka buaih ili tekih ipki (cm2)
Primer:Sainiti dijagram delovanja aksijalnih sila (istezanja i sabijanja) za buai alat sastava kao i na prethodnom primeru. Odrediti i aksijalno naprezanje u buaem alatu (buaim i tekim ipkama), pod uslovom da je sila primenjena na dleto Fd = 0. Reenje: Dobijeni dijagram delovanja aksijalnih sila sainjem je na osnovu numerikih rezultata dobijenih primenom sledeih jednaina:
Hidrostatiki pritisak, tj. pritisak stuba isplake na: dnu buaih ipki: dnu tekih ipki: Povrina poprenog preseka: buaih ipki: tekih ipki: Aksijalna sila (optereenje na istezanje i sabijanje) u bueim ipkama u funkciji dubine buotine: Aksijalna sila (optereenje na istezanje i sabijanje) u tekim ipkama u funkciji dubine buotine:
Aksijalno naprezanje na bilo kojoj dubini buaih ipki: Aksijalno naprezanje na bilo kojoj dubini tekih ipki:
Efekat potiska isplake na izvijanje buaeg alata buckling Dugi i vitki nizovi alata kao to su buae ipke imaju malu otpornost na primenjeni momenat savijanja i tendenciju izvijanja, buckling, kod primene vertikalnog kompresionog optereenja, tj. sile. Sili izvijanja odupire momenat inercije cevi. Za teke ipke momenat inercije je veliki, pa se generalno smatra da je on dovoljan da sprei spiralno izvijanje tekih ipki. Kod buaih ipki momenat inercije je relativno mali i ako postoji tendencija izvijanja iznad tekih ipki, tj. kada se primenjuje prevelika sila na dleto (Fd), doi e do spiralnog izvijanja i desie se brzi lom u spojnicama buaih ipki. Taka u buaem alatu iznad koje ne postoji tendencija izvijanja naziva se neutralna taka. Kod izbora bueeg alata cilj je da neutralna taka bude u tekim ipkama. Kako se za buenje uobiajeno koristi teni fluid (isplaka), efekat potiska na spiralno izvijanje ne moe se zanemariti.
Jedan od generalnih pristupa koji ukljuuje efekat potiska na spiralno izvijanje dao je Goins. On je definisao kritinu silu izvijanja, tj. stabiliteta uz pomo hidrostatikog pritiska puc koji deluje u unutranjosti cevi i pritiska psc sa spoljanje strane cevi, prema jednaini: Ako se sila stabiliteta prikae na dijagramu delovanja aksijalnih sila (optereenja na istezanje i sabijanje), neutralna taka na dijagramu ( Lpn ) se odreuje na preseku sile stabiliteta i aksijalnih sila.
Neutralna taka u buaem alatu ( Lpn ), moe se izraunati i korienjem sledeih jednaina: Ako je: Ako je: Dubina neutralne take u kanalu buotine ( Ln ) je:
Za pojednostavljene uslove, kada su pritisci fluida nastali kao posledica hidrostatikog pritiska buaeg fluida (isplake) ujednaene gustine, posledice Arhimedovog zakona se mogu primeniti.
Zato momenat izazvan hidraulikim silama koje deluju na elemenat fluida mora biti jednake veliine, ali suprotnog pravca u odnosu na momenat izazvan teinom sadranog fluida bez obzira na oblik povrine.
Teina sadranog fluida u zamiljenoj povrini i teina stranog tela su rasporeeni tereti i imaju isti momenat odstojanja u odnosu na datu taku. To znai da za duge, uske stubove uronjene u tenost prilikom izraunavanja momenta savijanja, treba da se koristi prividna teina ipke u fluidu (isplaci) umesto teine ipke u vazduhu.
Stoga je prava duina tekih ipki (Lt.), u funkciji eljene sile (optereenja) na dleto, potrebna za eliminisanje tendencije izvijanja buaih ipki data jednainom:
gde su:
Fc kritina sila izvijanja, tj. sila stabiliteta (daN)Au - povrina poprenog preseka izraunata primenom unutranjeg prenika ipke (cm2)As - povrina poprenog preseka izraunata primenom spoljanjeg prenika ipke (cm2)puc - hidrostatiki pritisak isplake unutar ipke (bar)psc - hidrostatiki pritisak isplake sa spoljanje strane ipke (bar) Lpn - duina neutralne take u buaem alatu, od dleta ka navie (m) Ln - dubina neutralne take u kanalu buotine (m) Fd - sila (optereenje) na dleto (daN) Tt - teina tekih ipki uronjenih u isplaku (daN), prema jednaini:
Wt - teina tekih ipki po jedinici duine u vazduhu (daN/m) Lt - duina tekih ipki (m)Wb - teina buaih ipki po jedinici duine u vazduhu (daN/m) Z - vertikalna dubina buotine (m) - gustina primenjene isplake (kg/dm3) - ugao nagiba kanala buotine (o)
Primer:Sainiti dijagram delovanja aksijalnih sila (istezanja i sabijanja), ako je primenjena sila na dleto Fd = 10.000 daN. Na dijagramu naneti i izraunati sile stabiliteta i odrediti grafiki neutralnu taku u kompoziciji alata. Izraunati minimalno potrebnu duinu tekih ipki kod primenjene sile na dleto Fd = 10.000 daN, u cilju izbegavanja izvijanja u buaim ipkama.Buai alat je istog sastava kao u prethodnom primeru. Reenje: 1. Aksijalne sile u buaim ipkama: 2. Aksijalne sile u tekim ipkama:
3. Sila stabiliteta: na dnu tekih ipki: na vrhu tekih ipki: na dnu buaih ipki: Dijagram delovanja aksijalnih sila, pri primeni sile na dleto od Fd = 10.000 daN i sile stabilnosti prikazane su na slici.
4. Neutralna taka: Neutralna taka iz dijagrama aksijalnih sila i sila stabiliteta dobija se grafiki iz njihovog preseka, kao to se to vidi sa slike.Kako je: za odreivanje neutralne take, u buaem alatu, primenjuje se jednaina: Dubina neutralne take u kanalu buotine: 5. Minimalno potrebna duina tekih ipki: Pretpostavlja se da je kanal buotine vertikalan, tj.
DELOVANJE FLUIDA U DINAMIKIM USLOVIMAZakon o ravnotei (odranju) mase Zakon o ravnotei (odranju) energije Osnovni fiziki zakoni koji se uobiajeno primenjuju kod kretanja ispirnih fluida, tj. u dinamikim uslovima su: Osnovni reoloki modeli koji simuliraju kretanje fluida u kanalu buotine i koji se odgovarajuim jednainama primenjuju za opisivanje fizikih zakona kod kretanja fluida u tehnologiji buenja su: Njutnov model Binghamov plastini model Model prema stepenom zakonu, tj. Power-Law- model
Zakon o ravnotei (odranju) mase U tehnologiji buenja ovaj zakon se uvaava kao princip da je kapacitet protoka isplake (kao nestiljivog fluida) isti u svim takama u kanalu buotine, a isto tako je i zapreminska masa (gustina) isplake ista u svim takama kanala buotine. Na osnovu toga prosena (srednja) brzina kretanja, odnosno protoka isplake u posmatranoj taki, definisana je kao kapacitet protoka isplake po jedinici povrine u posmatranoj taki, prema jednaini: gde su:v - srednja, prosena brzina isplakeQ - kapacitet protoka, koliina isplake u jedinici vremena A - povrina u posmatranoj taki
Zbog nepravilnosti geometrije kanala buotine, prosena brzina isplake na raznim takama buotine nee biti ista, iako je kapacitet protoka (ispiranja) u svim takama buotine isti. Za tehnologiju buenja bitno je poznavanje sledeih veliina prosene brzine isplake: U unutranjosti buaeg alata: U meuprostoru buai alat-kanal buotine ili zatitne cevi-kanal buotine: gde su:v - srednja, prosena brzina isplake (m/s)Q - kapacitet protoka (ispiranja) isplakom (lit/min)ID - unutranji prenik buaeg alata (mm)Dd - prenik dleta ili kanala buotine (mm)OD - spoljanji prenik buaeg alata ili zatitnih cevi (mm)
Primer:U kanalu buotine cirkulie se isplakom gustine: kg/dm3. Primenjuje se kapacitet ispiranja: Q = 1.200 lit/min.Koristi se sledei buai alat: Izraunati prosene brzine isplake u: Buaim ipkama , vb. ;Tekim ipkama, vt. ;Meuprostoru teke ipke-kanal buotine, va.t Meuprostoru buae ipke-kanal buotine, va.b
Reenje:
Prosene brzine isplake u buaim ipkama: Prosene brzine isplake u tekim ipkama: Prosene brzine isplake u meuprostoru teke ipke-kanal buotine: Prosene brzine isplake u meuprostoru buae ipke-kanal buotine:
Zakon o ravnotei energije Prema zakonu o ravnotei energije neto energetski kapacitet (nominalna vrednost energije) izvan sistema jednak je nominalnoj vrednosti rada obavljenog unutar sistema.
Energija koja ulazi u sistem predstavlja zbir od:
E1+ p1 V1 = entalpija po jedinici mase fluida koji ulazi u sistem u taki 1. (Entalpija je suma unutranje energije i izvrenog rada pri konstantnom pritisku. Prirataj entalpije jednak je koliini toplote koju jedan sistem primi pri konstantnom pritisku, jedinica je ista kao i za rad djul) - g Z1 = potencijalna energija po jedinici mase fluida koji ulazi u sistem u taki 1, Qt = toplota po jedinici mase fluida koja ulazi u sistem u taki 1.kinetika energija po jedinici mase fluida koja ulazi u sistem u taki 1
Energija koja izlazi iz sistema predstavlja zbir:E2 + p2 V2 = entalpija po jedinici mase fluida koji izlazi iz sistema u taki 2, -g Z2 = potencijalna energija po jedinici mase fluida koji izlazi iz sistema u taki 2, = kinetika energija po jedinici mase fluida koji izlazi iz sistema u taki 2 Rad fluida (R) jednak je energiji fluida po jedinici mase koju odaje fluid motoru fluida (ili navedena energija minus rad koji je obavila pumpa na fluidu). Stoga, zakon o ravnotei energije daje: Izraavajui prethodnu jednainu u SI jedinicama: bar ; kg/dm3 ; m/s i m , dobija se: gde su: p1 - pritisak na ulazu u sistem (bar); -gustina isplake u sistemu (kg/dm3);Z2 - krajnja duina sistema (m); Z1 - poetna duina sistema (m); v2 - brzina isplake na izlazu iz sistema (m/s); v1 - brzina isplake na ulazu u sistem (m/s); pp - pritisak ostvaren na ulazu u sistem (bar); pf - gubitak pritiska u sistemu (bar); p2 - pritisak na izlazu iz sistema (bar)
Protok kroz mlaznice u dletu Prilikom teenja nekompresivnog fluida kroz veoma kratki sistem, kao to su mlaznice u dletu, smatra se da je: Gubitak pritiska usled trenja iznad mlaznica ( ) i pritisak ostvaren na ulazu u sistem ( pp ), zanemarljivi.
Tada redukcija prethodne jednaine daje: Promena pritiska u funkciji duine sistema (Z2-Z1) zanemarljiva, Brzina isplake na ulazu u sistem ( v1=vo ), tj. brzina proticanja iznad mlaznica zanemarljiva u poreenju sa brzinom mlaza ( v2=vml ),
Uvoenjem simbola =(p2-p1) za pad, tj. gubitak pritiska kroz mlaznice i reavanjem gornje jednaine po brzini mlaza (vml), na izlazu iz mlaznica, dobija se: Stvarna brzina mlaza na izlazu iz mlaznica je uvek manja od vrednosti dobijenih navedenom jednainom, tako da se uvodi korekcioni faktor (Cml), dobijen eksperimentalnim putem koji iznosi Cml = 0,95.
Tada gornja jednaina za odreivanje brzine mlaza na izlazu iz mlaznica, ako su poznati pad pritiska kroz mlaznice u dletu i gustina isplake, glasi: gde su: - pad pritiska kroz mlaznice u dletu (bar) - gustina isplake (kg/dm3)
Dleto za buenje ima vie mlaznica, tj. koliko i konusa (uobiajeno tri mlaznice kod trokonusnih dleta) Tada je pad pritiska ( ) kroz sve mlaznice u dletu isti pa samim tim je i brzina mlaza (vml ) kroz sve mlaznice ista. Ako su povrine mlaznica ugraenih u dletu razliite, i tada je koliina protoka kroz mlaznice ista prema jednaini: Primenom SI jedinica brzina mlaza na izlazu iz mlaznica, u funkciji kapaciteta ispiranja i povrine mlaznica, data je jednainom: gde su:Q - kapacitet protoka (ispiranja) isplake (lit/min)At - ukupna povrina mlaznica u dletu (mm2), data je jednainom: gde je: d1; d2; d3 - prenik svake mlaznice (mm) Jednaina za izraunavanje pada pritiska kroz mlaznice u dletu glasi:
Izbor mlaznica u dletuMaksimalna hidraulika snaga na dletuSila udara mlaza Maksimalna brzina mlaza Svrha ugradnje mlaznica u dleto je da se pobolja efekat ienja dna buotine isplakom, to bitno utie na razruavanje stena. Tok mlaza deluje na krhotine tako da izjednaava pritiske fluida oko krhotina, to omoguuje i njihovo uklanjanje sa dna, ime se poveava mehanika brzina buenja i uinak po dletu. Mlaznice za dleto izrauju se u raznim dimenzijama koje su standardizovane, a oznaavaju se u 32 delovima ina. U SI sistemu jedinica prenici mlaznica izraavaju se u mm (to nije apsolutno indentino sa 1/32), a za ugradnju u dleta na raspolaganju su sledei prenici 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) Uobiajeni parametri za dizajniranje hidraulike na dletu, tj. za izbor veliine mlaznica su:
Maksimalna hidraulika snaga na dletu Kod primene efekta maksimalnih hidraulikih snaga na dletu prenik mlaznica treba tako odabrati da pad pritiska na dletu iznosi 2/3 od pritiska ostvarenog na isplanoj pumpi. Ako se zanemari gubitak pritiska kroz povrinsku opremu, buai alat i meuprostor kanala buotine, tj. razmatra samo pad pritiska kroz mlaznice u dletu ,tada je maksimalna hidraulika snaga ostvarena na mlaznicama dleta data jednainom: Maksimalna hidraulika snaga na dletu, obino se izraava kao specifina hidraulika snaga po preniku buenja, tj. po povrini dna buotine, sledeom jednainom: gde su:SPhd - specifina hidraulika snaga po povrini dna (KW/cm2) Dd - prenik buotine, dleta (mm) Phd - hidraulika snaga na dletu (KW) Praksa je pokazala da su vrednosti specifinih hidraulikih snaga po povrini dna optimalne u granicama od 0,30-0,46 (KW/cm2), a da primena vrednosti iznad 0,60 (KW/cm2) imaju negativno dejstvo na brzinu buenja jer izazivaju prevremena oteenja dleta.
Sila udara mlaza Optimalna sila udara mlaza na dletu javlja se kada pad pritiska na dletu iznosi 1/2, od pritiska ostvarenog na isplanoj pumpi. Pod uslovom da se zanemari gubitak pritiska kroz povrinsku opremu, buai alat i meuprostor kanala buotine, tj. razmatra samo pad pritiska kroz mlaznice u dletu , tada je sila udara ostvarena na mlaznicama dleta data jednainom: gde su:Fsd - hidraulika sila udara mlaza (daN)Cml - korekcioni faktor (0,95)Q - kapacitet ispiranja (lit/min) - gustina isplake (kg/dm3) - pad pritiska kroz mlaznice dleta (bar)
Maksimalna brzina mlaza U praksi, optimalna brzina kroz mlaznice dleta, pri minimalnom kapacitetu ispiranja kree se od vml = 100-120 m/s. Brzina isticanja, tj. mlaza moe se poveati smanjenjem kapaciteta ispiranja putem smanjenja prenika mlaznica, ali samo do odreene vrednosti Q, a to je Qmin , tj. minimalno potrebna koliina ispiranja za iznoenje nabuenih estica koja je u funkciji: prenika dleta, brzine buenja, reolokih osobina isplake i drugih faktora.
Studije sa mlaznim dletima su pokazale da se brzina buenja poveava koliinom ispiranja i brzinom mlaza, ali da brzina mlaza ima vei uticaj. Kod primene maksimalne brzine mlaza ista je naglaena na raun smanjenja kapaciteta ispiranja, maksimalna sila udara mlaza potencira koliinu ispiranja uz smanjenje brzine mlaza, dok su maksimalne hidraulike snage na dletu negde izmeu. Zbog praktinih ogranienja kapaciteta ispiranja, maksimalna brzina mlaza je najprihvatljivija za primenu kod poetnog buenja velikim prenikom. Sila udara mlaza daje najbolje rezultate pri buenju dubokih buotina malog prenika (Slim Hole Well), gde su veliki padovi pritiska u sistemu cirkulacije, U svim ostalim sluajevima kod primene hidraulikih efekata tei se favorizovanju maksimalnih hidraulikih snaga na dletu.
Primer:Uslovi u buotini su sledei: - Prenik buenja, dleta : Dd = 215,9 mm(8 ) - Spoljanji prenik buaih ipki: ODb = 114,3 mm (4 ) - Gustina isplake: kg/dm3 - Mogui kapacitet ispiranja sa isplanom pumpom, zbog uslova u kanalu buotine, kree se od: Qmin = 1.000 lit/min; Qopt = 1.200 lit/min; i Qmax = 1.400 lit/min - Raspoloivi pritisak na povrini, tj. isplanoj pumpi je: pp = 120 bar Izabrati mlaznice u dletu tako da se ostvare sledei hidrauliki efekti: 1. Maksimalne hidraulike snage na dletu 2. Sila udara mlaza 3. Maksimalna brzina mlaza Reenje: 1. Pad pritiska na dletu za efekat maksimalnih hidrauliki snaga, iznosi: Za ostvarivanje ovog hidraulikog efekta koristi se optimalna koliina ispiranja Qopt = 1.200 lit/min, a ukupna povrina mlaznica na dletu:
ako pretpostavimo da su sve tri mlaznice u dletu istih dimenzija iz sledee jednaine, dobija se prenik jedne mlaznica: na osnovu raspoloivih mlaznica, u dleto je mogue ugraditi sledee mlaznice: 3 komada prenika 8,7 mm (11-11-11/32), ili 2 komada prenika 8,7 mm i jedanu prenika 9,5 mm (11-11-12/32) Ukupne povrine izabranih mlaznica i padovi pritiska iznose: - Za izbor mlaznica: 3 komada prenika 8,7 mm (11-11-11/32): - Za izbor mlaznica: 2 komada prenika 8,7 mm i jedanu prenika 9,5 mm (11-11-12): Ako izaberemo mlaznice 11-11-12, maksimalna hidraulika snaga na dletu iznosi: Specifina hidraulika snaga po povrini dna (dleta), iznosi:
2. Pad pritiska na dletu za silu udara mlaza iznosi: za ostvarivanje ovog efekta primenjuje se maksimalna koliina ispiranja isplakom Qmax = 1.400 lit/min, tako da je: to odgovara izboru mlaznica: 3 komada prenika 10,3 mm (13-13-13/32) Sila udara mlaza prema iznosi: 3. Za primenu efekta maksimalne brzine mlaza primenjuje se minimalni kapacitet ispiranja Qmin = 1.000 lit/min, sa ciljem da se izborom mlaznica ostvari brzina mlaza od vml = 120 m/s. na osnovu proraunatih vrednosti najpribliniji izbor mlaznica, za efekat maksimalne brzine mlaza, bi bio: - jedna mlaznica prenika 7,1 mm, i dva komada prenika 7,9 mm (9-10-10/32), - ukupna povrina mlaznica u tom sluaju bi iznosila At = 137,63 mm2.
REOLOGIJA ISPLANIH FLUIDANeprekidni tok: Laminarni tok Turbulentni tokNeprekidni tok je tip toka koji se ne menja Neustaljeni tok: Prilikom pokretanja tokaPri promenama u preniku cevi i drugo Neustaljeni tok opisuje se kao gibanje fluida bez ustaljenog tipa toka Reologija je deo klasine mehanike koja prouava deformaciju i proticanje materije. Kada sila deluje na telo, uzrokuje njegovu deformaciju, a kod tenosti, tj. tenih fluida takva sila uzrokuje protok. Tipovi protoka, tj. toka mogu biti: Promene reima toka sa promenama brzine proticanja uslovljene su vrednostima Reynolds-ovog broja i kritinim brzinama. Pri ustaljenim uslovima, temperaturi i pritisku fluidi su odreeni: - Vremenom potrebnim da se promeni ustaljeni tip toka, - Njihovim svojstvima u laminarnom toku predstavljenim eksperimentalnim dijagramom toka - Tiksotropijom
Dijagrami toka Laminarni tok: Laminarni tok je tok pri kome pojedine estice fluida tee kretanju u ravnim linijama paralelno sa tokom, uz nepromenjenu brzinu. Pri toku u cilindrinoj cevi ta brzina je maksimalna u osi cevi, a minimalna pri zidovima cevi. Turbulentni tok: Turbulentni tok, je tip toka za koji je karakteristino vrtlono strujanje estica fluida unutar toka, Osnovni parametri za ispitivanje toka za odreeni fluid, zavisno o temperaturi i pritisku su smicajne brzine ( v ) izraene u s-1 i smicajno naprezanje ( ) izraeno kao pritisak u bar ili milibar. Pri svakoj brzini smicanja fluid ima odreeni viskozitet zvani prividni viskozitet ( ) izraen u mPas (milipaskalsekunda). Naprezanje na smicanje, brzina smicanja i prividni viskozitet mere se na zidovima cevi kroz koju fluid protie. Kod operacije na izradi buotine naprezanje na smicanje i brzina smicanja analogni su pritisku odnosno kapacitetu ispirne pumpe.
Odreivanje reolokih svojstava Za odreivanje reolokih svojstava isplake upotrebljavaju se sledei instrumenti: - Fann viskozimetar (Baroidov reometar) - Viskozimetar sa koaksijalnim cilindrima i promenljivim brzinama Fann viskozimetar (Baroidov reometar)Instrumenat je baziran na principu rada dva koncentrina cilindra. Najvie zastupljeni tipovi na tritu imaju:
Dve brzine rotacije (600 o/min i 300 o/min), a mogu biti pokretani mehaniki i elektromotorom. U praksi ( na buaem postrojenju) primenjuje se Baroidov reometar, prikazan na slici. est brzina rotacije (600 o/min, 3oo o/min, 200 o/min, 100 o/min, 6 o/min i 3o/min), i ti modeli su pogonjeni elektromotorom.
Odreivanje prividnog (Fann) viskoziteta: Prividni viskozitet je viskozitet koji fluid ima na reometru pri dogovorenoj utvrenoj brzini smicanja.
Za isplake i cementne kae, API standardi definiu prividni (Fann) viskozitet u uslovima brzine smicanja od 1.020 s-1 ili brzine rotora od 600 o/min na Fann-ovom viskozimetru.
Prividni viskozitet izraava se u milipaskalsekundama mPas (ranije u centipoazima cP ), a oitava se direktno sa instrumenta pri 600 o/min i podeli sa dva, tj. prema sledeoj formuli: Prividni viskozitet je funkcija plastinog viskoziteta i granice teenja, a kod Njutnovih tenosti prividni viskozitet je jednak plastinom viskozitetu. prividni viskozitet = oitavanje na 6oo o/min : sa 2 (mPas)
Odreivanje tiksotropije (vrstoe gela): Svojstvo fluida u mirovanju da razvije gel naziva se tiksotropija. Fluid je tiksotropan pod uslovom da: - Razvije gel u mirovanju nakon meanja i - Poprimi preanja svojstva nakon pokretanja Bitno je naznaiti da je tiksotropija reverzibilno (povratno) svojstvo fluida. Tiksotropija je svojstvo isplake da kod prekida cirkulacije dri nabuene estice u lebdeem stanju i time spreava taloenje. To je ujedno i razlika u vrednostima izmeu 10-minutnog i poetnog gela. vrstoa gela ukazuje na tiksotropna svojstva isplake i ona je mera privlanih sila u uslovima mirovanja isplake. vrstoa gela klasificira se na progresivne (jake) i lomljive (slabe) tipove: - Progresivni gel poinje sa niskim vrednostima, ali konstantno raste sa vremenom. Najee nastaje zbog visoke koncentracije vrstih estica u isplaci i nepoeljan je jer moe izazvati razne tekoe u buotini. - Lomljivi gel moe poeti sa visokim vrednostima, ali neznatno raste sa vremenom. Isplake tipa lomljivog gela su: povrinski aktivne, gipsne, vodene zasiene solju i polimerne isplake. Oitane vrednosti poetnog (qo) i 10 minutnog gela (q10) su u lb/100 ft2, pa ih treba pomnoiti sa 0,5 da bi se dobila vrednost vrstoe gela u Pa (paskalima).
Reoloki modeli isplakaNjutnove tenosti Isplaka za buenje moe se ponaati kao Njutnove tenosti (buenje vodom, vazduhom, uljem i drugo), ali najee se susreemo sa isplakom koja se hidrauliki ne ponaa kao Njutnova tenost. Kod tih tenosti, prikazanih na slici, naprezanje na smicanje je direktno proporcionalno brzini smicanja, ako se jedno i drugo udvostruuje, a zakonitosti su date jednainom: Ako ovu jednainu prikaemo na dijagramu, dobijamo grafikon koji je prava linija koja prolazi kroz ishodite, a tenost se pokree istovremeno kada sila postaje vea od nule. Voda, gas i nafta su Njutnove tenosti. Za Njutnove tenosti odnos prividnog viskoziteta je konstantan pri konstantnoj temperaturi i pritisku, a to znai da je viskozitet Njutnovih tenosti konstantan i da zavisi od dva faktora: temperature i pritiska koji utiu na viskozitet.
Ne-Njutnovske tenosti Binghamove plastine tenosti Pseudoplastine tenosti koje se ponaaju prema stepenom zakonu (Power Law Model) To su tenosti kod kojih je (viskozni otpor) viskozitet funkcija uslova proticanja. Da bi se odredilo ponaanje proticanja ovih tenosti, potrebno je izmeriti otpor proticanja najmanje kod dve brzine smicanja. Meu isplakama i cementnim mlekom susreu se dva glavna tipa toka tenosti:
Binghamove tenosti: Kod Binghamovih plastinih tenosti naprezanje na smicanje se menja linearno sa brzinom smicanja, ali za razliku od Njutnovih tenosti, potrebna je odreena sila da bi se tenost pokrenula. Te tenosti karakteriu dve konstante: kritino naprezanje na smicanje (granica teenja koje odgovara minimalnoj sili koja je potrebna za pokretanje toka; plastini viskozitet, koji odgovara odnosu naprezanja na smicanje i brzini smicanja drugim reima, nagibu krive kao funkciji koja se meri samo u linearnom delu krive. Teoretska jednaina proticanja je: U praksi mnoge tenosti ne slede tu jednainu, pogotovo pri malim brzinama smicanja. Kriva tada odstupa od teoretske, kao to je prikazano na slici.
Odreivanje plastinog viskoziteta i granice teenja: Po definiciji, plastini viskozitet ( ) je poveanje sile smicanja iznad take teenja, a prouzrokovan je otporom mehanikog trenja. Plastini viskozitet je onaj deo otpora toku (proticanju) koji nastaje zbog mehanikog trenja, a na koji utie koncentracija krutih estica, veliina i oblik estica, te viskozitet tene faze. Porastom gustine isplake i specifine povrine krutih estica u isplaci, poveava se i plastini i prividni viskozitet.
Granica teenja isplake ( ) je sila smicanja do take teenja i predstavlja drugu komponentu otpora toku isplake, a rezultat je elektrohemijskih sila ili privlanih sila u isplaci. Te privlane sile su uzrokovane prisustvom pozitivnih i negativnih naboja na povrini estica, dispergovanih u tenoj fazi. Granica teenja meri se u uslovima toka i jaina privlanih sila i zavisi od tipa estica i povrinskih naboja na njima, koliini krutih estica u isplaci i koncentraciji katjona i anjona u tekuoj fazi.
Plastini viskozitet:Plastini viskozitet i granica teenja odreuju se pomou Fann-ovog viskozimetra, a prema API standardu koji su bazirani na vrednostima naprezanja na smicanje u odnosu na brzinu smicanja (brzina okretaja 600 o/min) i vrednostima na smicanje u odnosu na brzinu smicanja pri brzini okretaja od 300 o/min, prikazano na slici. Plastini viskozitet ( ), na osnovu dijagrama i teoretske jednaine moe se prikazati sledeom formulom: ako se izraava u jedinicama milipaskalsekunda mPas (ranije u centipoazima cP), i uzme u obzir faktor korekcije dat sa , dobija se: plastini viskozitet = oitavanje na 6oo o/min - oitavanje na 300 o/min (mPas)
Granica teenja:Na osnovu prethodnog dijagrama, granica teenja , moe se izraziti jednainom: granica teenja = oitavanje na 6oo o/min 2 x plastini viskozitet (lb/100 ft2)U SI jedinicama granica teenja prikazuje se: granica teenja = prividni viskozitet - plastini viskozitet (Pa)
granica teenja u (lb/100 ft2) : 2 = granica teenja u (Pa) Granica teenja se takoe moe odrediti i na sledei nain, tj. jednainom: Nedostatak Binghamovog modela tenosti je to opisuje teenje u veoma uskom opsegu smicajnih brzina. granica teenja = oitavanje na 300 0/min plastini viskozitet : sa 2 (Pa)
Pseudoplastine tenosti (Power Law tenosti) Model prema stepenom zakonu: Ovaj model tenosti bolje oponaa realno teenje fluida i primenjuje se posebno za smicajne brzine manje od 150 s-1 i daje tanija predvianja teenja i karakteristike buaih fluida. Primenjuje se za isplake sa niskim sadrajem vrste faze i sa niskim smicajnim brzinama, tj. polimerne isplake, koje se danas vie primenjuju. Kao i Njutnove tenosti, pseudoplastine tenosti (Power Law-tenosti- poinju tei istovremeno kada se na njih primeni neka sila, a za razliku od Njutnovih tenosti, naprezanje na smicanje nije proporcionalno brzini smicanja. Naprezanje na smicanje je proporcionalno n-toj potenciji.Jednaina toka glasi: gde su:K - indeks konzistencije n - indeks reolokog ponaanja toka ili Power Law indeks ( n), koji je bez dimenzija. Za vrednost indeksa reolokog ponaanja toka, n = 1, dobija se jednaina toka Njutnove tenosti, viskoziteta K.
Indeks reologije n, ako se koristi Baroidov reometar sa dve brzine, izraunava se sledeom jednainom: (bez dimenzionalan broj) Indeks konzistencije K, kod Baroidovog reometra sa dve brzine, izraunava se jednainom: Za prividni Fann- viskozitet ( ), potrebno je istai sledee:
- Za Njutnove tenosti jednaina glasi: - Za Binghamove tenosti, prividni viskozitet odreuje se jednainom:
- Za Power Law tenosti jednaina prividnog viskoziteta glasi:
Karakteristike vrednosti n, tj. reolokog indeksa ponaanja toka: Od vrednosti n zavisi iznoenje materijala iz buotine pri laminarnom toku. Brojni praktini primeri potvruju vezu izmeu optimalne vrednosti n i dobrog ienja buotine. Primena vrednosti n nije ograniena samo na Power Law model tenosti, ve je i kod Binghamovih tenosti vrednost n takoe kriterijum za iznoenje estica iz buotine. Manji n odgovara vie epolikom profilu brzine, koji nalikuje toku u obliku epa ili turbulentnom toku. Kada je profil brzine spljoten, sposobnost noenja tenosti je vea.Smatra se da je vrednost n = 0,6-0,7 dovoljna za efikasno ienje buotine, Kod Binghamovih tenosti spljotenost profila toka postie se poveanjem granice teenja isplake i na taj nain se smanjuje odnos plastinog viskoziteta i granice teenja, to daje nii n.Kod proirenog kanala buotine ili obruavanja vrednost n treba da bude nia (o,4-0,6), ali treba paziti da ne doe do frakturiranja (loma)stena, jer se poveanjem granice teenja poveava i pad pritiska u prstenastom meu prostoru.
Indeks reologije n, u odnosu na brzine okretaja 600 0/min i 300 0/min:Izraunavanje vrednosti na brzini okretaja od 600 0/min i 300 0/min, ako su poznate vrednosti plastinog viskoziteta i granice teenja:
Karakteristini stepeni toka isplake Za vreme cirkulacije pri razliitim kapacitetima ispiranja, isplaka u buotini ima nekoliko stepenova toka Prvi stepen je odsustvo toka, jer je pritisak primenjen na isplaku nedovoljan da zapone tok i izraava se kao prava granica teenja u taki A. Drugi stepen se javlja kada se granica teenja pree i pritisak postane dovoljno jak da pokrene isplaku kao vrsti ep. Taj deo toka odgovara delu krive od A do B. Treim stepenom isplaka prelazi iz toka u obliku epa u laminarni tok. Kretanje tenosti nalikuje induvidualnim teleskopskim slojevima estica tenosti. Taj stepen prikazan je delom krive od B do C. etvrti stepen, tj. laminarni tok. Kada je postignut taj stepen, segmenat od C do D na krivoj e imati konstantni nagib. Peti stepen, tj. turbulentni tok u kome, zbog porasta brzina tenosti, estice tenosti odlutaju iz svojih paralelnih staza i nepravilno se izmeaju.
Isplaka u buotini moe biti u bilo kojem stepenu navedenih modela toka. Pored toga, isplaka moe istovremeno biti u raznim stepenima toka na razliitim takama u buotini. Na primer, isplaka je redovno u turbulentnom toku unutar buaeg alata i uobiajeno oko tekih ipki, a oko buaih ipki je uglavnom u laminarnom toku. Kod normalnih brzina toka primenjenih u buenju moe se izraunati tip toka. Najpre treba, prema krivama konzistencije, odrediti da li se radi o Njutnovim ili Ne-Njutnovskim tenostima pomou Fann-viskozimetra, prikazanih na slici. Vie uobiajenih metoda mogu se upotrebiti za odreivanuje stepena toka isplake, tj. za uspostavljanje kriterijuma turbulencije. Najee primenjivani pristupi su: - Reynolds-ov broj - Kritina brzina
Reynojds-ov broj Turbulencija se javlja kada odnos momenta tenosti sa sposobnou viskoziteta da kvasi dodirnu povrinu prelazi neku empirijski odreenu vrednost. Njutnovske, neelastine tenosti koja protie kroz cev, efekat kvaenja predstavnja kolinik viskoziteta i prenika kanala buotine i izraava se jednainom: Ne-Njutnovske tenosti isplake koje sadre i izvesni stepen elastinosti, Reynolds-ov broj je tee definisati, ali se moe odrediti primenom sledeih jednaina: - Za Bingham-ov plastini model:
kod protoka isplake kroz ipke: kod protoka isplake kroz meuprostor: Reynods-ov broj od 2.100 i manje oznaava laminarni protok. Broj od 3.000 ili vie oznaava turbulentni protok.Izmeu 2.100-3.000 znai da je protok u prelaznom toku od laminarnog u turbulentni.
gde su:
v - prosena brzina isplake (m/s) ID - unutranji prenik cevi (mm)OD - spoljanji prenik cevi (mm) - prividni viskozitet isplake (mPas) - gustina isplake (kg/dm3) Za Power Law Model: Za predvianje Reynolds-ovog broja, kod Power Law modela, na gornjim granicama laminarnog toka primenjuje se jednostavnija jednaina: gde je: n - indeks reologije bez dimenzija
Kritina brzina Izraz kritina brzina koristi se da se definie jednaina brzine kod koje se reim protoka menja od laminarnog ka turbulentnom toku. Kod praktinih primena, kritina brzina (vk) i srednja (prosena) brzina isplake (v) se proraunavaju i ako je: v < vk , protok je laminaran v > vk , protok je turbulentan v vk , rade se prorauni za oba reima protoka i koriste se vrednosti veih gubitaka pritisaka
Kod Bingham-ovih tenosti, jednaine za odreivanje kritine brzine su:
- u cevima (buaim i tekim ipkama): - u meuprostoru kanal buotine-cevi:
Jednaine za odreivanje kritine brzine kod Power Law modela su: - u cevima (buaim i tekim ipkama): - u meuprostoru kanal buotine-cevi: .gde su: n - indeks reolokog ponaanja isplake K - indeks koegzistencije isplake Dd - prenik kanala buotine ili dleta (mm) ID - unutranji prenik cevi (buaih,tekih ili drugih ipki) (mm) OD - spoljanji prenik cevi (buai, tekih ili drugih ipki) (mm) - plastini viskozitet isplake (mPas) - granica teenja isplake (Pa) - gustina isplake (kg/dm3)
Gubitak ili pad pritiska u cirkulacionom sistemuU povrinskoj opremi,Kroz buai alat (buae, teke, buae teke i druge ipke), U meuprostoru zida kanala buotine i spoljanjeg prenika buaeg alata Svaki fluid koji protie kroz cevi gubi energiju usled savlaivanja sledeih sila trenja: - Unutranjeg trenja prouzrokovanog viskozitetom fluida - Spoljanjeg trenja uzrokovanog rapavou cevi Gubitak energije naziva se pad ili gubitak pritiska, a to je odreeno sa razlikom pritisaka fluida izmeu dve take. Pumpanjem isplake u buotinu poetna energija se iskazuje pritiskom na isplanoj pumpi. Cirkulacijom isplake kroz buotinu, tj. zatvaranjem krunog ciklusa, ova energija se potpuno istroi, jer je pritisak isplake jednak nuli kada se ona vraa u isplane bazene, odnosno na povrinu. Tada ostvareni pritisak na isplanoj pumpi predstavlja ukupni gubitak ili pad pritiska u cirkulacionom sistemu sa isplakom. Pritisak na pumpi obuhvata sumu sledeih padova pritisaka:
Osobina isplake i to: gustine, plastinog viskoziteta i granice teenja Tipa neprekidnog toka isplake : laminarnog ili turbulentnogGeometrije buaeg alata i kanala buorine Ukupni padovi pritiska izraunavaku se sledeom jednainom: gde su: pp - ukupni pritisak na isplanoj pumpi (bar) - pad pritiska kroz povrinsku opremu (bar) - pad pritiska kroz buae ipke (bar) - pad pritska kroz teke ipke (bar) - pad pritiska kroz mlaznice dleta (bar) - pad pritiska u meuprostoru na podruju kanal buotine- tekih ipki (bar) - pad pritiska u meuprostoru na podruju kanal buotine(za.cevi)-buae ipke (bar) Jednaina koja se primenjuje za izraunavanje navedenih gubitaka ili padova pritisaka u funkciji su od:
Bingham-ove plastine tenosti i Power Law- model Laminarni i turbulentni tokZa cilindrini meuprostor i cevi U povrinskoj opremi, unutar ipki i kroz mlaznice dleta, isplaka je u turbulentnom toku, U meuprostoru moe biti u turbulentnom ili laminarnom toku. Najee je u meuprostoru na podruju tekih ipki u turbulentnom toku, a u laminarnom toku oko buaih ipki.
Jednaine za izraunavanje pada pritiska u procesu buenja koriste se za:
Padovi pritiska za Bingham-ove tenosti Kod Bingham-ovih tenosti pri laminarnom toku vaan faktor pada pritiska je taka teenja, dok je uticaj plastinog viskoziteta manji. U turbulentnom toku plastini viskozitet je bitan faktor od uticaja na pad pritiska, dok se taka teenja moe zanemariti. Padovi pritiska izraunavaju se sledeim jednainama: a) U buaem alatu (buaim i tekim ipkama: ) za laminarni tok: za turbulentni tok: b) Meuprostoru kanal buotine-buai alat: za laminarni tok: za turbulentni tok:
Padovi pritiska za Power Law tenosti a) U buaem alatu tj. u cevima: za laminaran tok:
za turbulentni tok: b) U meuprostoru kanal buotine-buai alat: za laminarni tok: za turbolentni tok:
Pad pritiska kroz povrinsku opremu Pod povrinskom opremom na buaem postrojenju podrazumeva se: Stojka; Isplano crevo; Guskin vrat; Protona cev u isplanoj glavi; Radna ipka Uobiajena povrinska oprema, prema duini pojedinih elemenata i njihovim dimenzijama (unutranji prenici), podeljena je u etiri grupe, prikazane u tabeli. Proraun pada pritiska kroz povrinsku opremu u praksi se postie izjednaavanjem pojedinih grupa do odgovarajue duine buaih ipki, a to je prikazano u tabeli, I upotrebom jednaina za izraunavanje pada pritiska turbulentnog toka.
Ekvivalentna cirkulirajua gustina isplake: Ekvivalentna cirkulirajua gustina isplake ukazuje na injenicu da je gustina isplake u cirkulaciji vea od gustine isplake u statikim uslovima. U dinamikim uslovima, tj. fazi proticanja buotinskog fluida (isplake) samo gubici pritiska, tj. pad priitiska na podruju meuprostora kanal buotine-buae ipke i zatitne cevi-buae ipke zajedno sa pritiskom stuba buotinskog fluida utiu na ukupni pritisak na dnu buotine.
Ekvivalentna cirkulirajua gustina isplake ( ) izraunava se tada iz jednaine: gde su: ph - pritisak stuba isplake u statikim uslovima (hidrostatiki pritisak) na dnu buotine, tj. na vertikalnoj dubini Z (bar) - pad pritiska u meuprostoru na podruju kanal buotine- tekih ipki (bar) - pad pritiska u meuprostoru na podruju kanal buotine-buae ipke (bar) - pad pritiska u meuprostoru na podruju zatitne cevi-buae ipke (bar) Z - vertikalna dubina buotine (m)
Primer izraunavanja pada pritisaka:Upotrebom Bingham-ovog plastinog modela izraunati pad pritiska u cirkulacionom sistemu, tj. ostvareni pritisak na isplanoj pumpi, koristei sledee ulazne podatke: - Dubina buotine: Z = 3.000 m - Prenik buotine, dleta : Dd = 215,9 mm (8,5) - Povrinska oprema: No.4 - Buae ipke: spoljanji prenik: OD = 127 mm (5) unutranji prenik: ID = 95,25 mm (3,75) duina ipki : Lb. = 2.800 m - Teke ipke: spoljanji prenik: OD = 158,75 mm (6,25) unutranji prenik: ID = 63,5 mm (2,5) duina ipki: Lt. = 200 m - Mlaznice u dletu: 2x 9,5mm i 1x 10,3 mm (12-12-13/32) - Kapacitet ispiranja isplanom pumpom: Q = 1.200 lit/min - Isplaka: gustina isplake : kg/dm3
Reenje: - Plastini viskozitet isplake - Granica teenja - Prosena, srednja brzina isplake unutar cevi: unutar buaih ipki: unutar tekih ipki: - Prosena, srednja brzina isplake u meuprostoru kanal buotine-cevi: kanal buotine-buae ipke: kanal buotine-teke ipke: - Kritina brzina u cevima kako je : v > vk (2,8 > 1,69) tok je turbulentan u buaim ipkama: u tekim ipkama: kako je : v > vk (6,31 > 1,83) tok je turbulentan
- - Kritina brzina u meuprostoru kanal buotine-cevi meuprostor kanal buotine-teke ipke: kako je: v < vk (1,19 < 1,86) tok je laminaran meuprostor kanal buotine-buae ipke: kako je: v < vk (0,83 < 1,64) tok je laminaran Pad pritiska kroz povrinsku opremu: Na osnovu prethodne tabele, No.4 za buae ipke 127 mm(5), ekvivalentna duina buaih ipki iznosi 177 m, pa pad pritiska iznosi:
Pad pritiska unutar ipki: u buaim ipkama: u tekim ipkama Pad pritiska kroz mlaznice u dletu: Pad pritiska u meuprostoru kanal buotine-cevi: meuprostor kanala buotine-teke ipke: meuprostor kanal buotine-buae ipke: Ukupan pad pritiska u cirkulacionom sistemu, tj. na isplanoj pumpi:
Pritisci pulsiranja Pritisci pulsiranja daju promene pritisaka u meuprostoru koje su rezultat manevra alata, tj. pomeranja ipki. Kada se ipka izvue iz buotine, isplaka tee niz meuprostor da popuni prostor koji je ostao iza ipke. Kada se ipka sputa u buotinu, isplaka se istiskuje iz buotine. Promene pritiska nastale usled sputanja ipke u kanal buotine naziva se dodatni pritisak pulsiranja (surge pressure), i dodaje se na vrednost pritiska stuba isplake u buotini. Vaenje ipke iz buotine izaziva pritisak klipovanja (swab pressure), koji je negativan i rezultira u sniavanju pritiska u buotini. U praktinom smislu, pritisci pulsiranja sastoje se od pritisaka potrebnih za slamanje gela u isplaci i pritisaka izazvanih pravim kretanjem fluida. Isplake velikih gustina mogu esto da stvaraju tako visoke vrednosti gela da su pritisci pulsiranja, koji rezultuju iz ovih komponenti, znatni. Granica teenja i jaina gela u isplaci utiu na ovu vrstu pritisaka.
Tokom izrade buotine posebnu panju treba posvetiti sputanju buaih alatki u kanal buotine, naroito kada se bui sa isplakom velike gustine i velikog naprezanja pri pokretanju.
Dodatni pritisak pulsiranja, tj. viak pritiska u odnosu na hidrostatiki pritisak moe biti uzrok frakturiranja (loma) formacija, gubitka cirkulacije, i kao posledica toga, dotok fluida u kanal buotine.
Zbog toga pri sputanju buaih alatki u kanal buotine treba:
- Redovno upotrebljavati hidrauliku ili magnetnu konicu - Lagano i jednolino ubrzavati alatke pri sputanju - Sputanje jednolinom brzinom - Izbegavati ugradnju protivpovratnog ventila u niz buaih alatki - Izbegavati brze, kratke manevre alatkama pre poetka rada dleta na dnu buotine
Izraunavanje pritisak pulsiranja Izraunavanje pritiska pulsiranja je teko zbog naina na koji fluid protie dok se ipka pomera u buotini. Kao to se vidi na slici dok se ipka kree nanie u meuprostoru, uzrokuje takoe i povlaenje isplake nanie pored ipke. Poto meuprostor ima konstantnu zapreminu, a za isplaku se smatra da je nekompresibilna, neto isplake mora da iscuri iz meuprostora. Burkhardt je matematiki razradio jednakost izmeu ipke i geometrije buotine i efekta potezanja (povlaenja) isplake uz ipku. Izraz pripadajua konstanta-K (clinging constant) predstavlja ovaj odnos, prikazan na slici. Pre nego to se primeni navedena konstanta (K) mora se izraunati brzina isplake u meuprostoru. Kapacitet protoka za elik pri zatvorenom kraju nizu alata u buotini, dat je jednainom:
Brzina u meuprostoru predstavlja kolinik kapaciteta protoka i povrine, prema jednaini: Ukoliko je ipka sa otvorenim krajem, brzina protoka se reava na slian nain: Primenom pripadajue konstante (K), efektivna meuprostorna brzina (ve) je: Burkhardt navodi da K = 0,45 predstavlja dobru pretpostavku za veinu tipinih geometrija. U toku rada, brzina sputanja ipke koristi se za proraunavanje prolaza ipke u kanalu buotine za koje se smatra da je jednak protoku isplake iz buotine. Pripadajua konstanta se primenjuje za dobijanje efektivne brzine koja se zasniva na sloenim emama protoka u meuprostoru. Dodatni pritisci pulsiranja izraunavaju se zamenom efektivne brzine protoka u jednu od prethodno definisanih jednaina za gubitke pritisaka. Uobiajeno se upotrebljavaju jednaine za laminarni tok poto normalne brzine sputanja ipki retko izazivaju vrednosti brzina vee od kritinih.
Primer: U buotini su se pojavili problemi sa gubitkom cirkulacije na peti prethodno ugraene kolone zatitnih cevi. Planira se ugradnja, tj. sputanje izgubljene kolone zatitnih cevi (Liner). Ako se izgubljena kolona zatitnih cevi spusti maksimalnom brzinom od vp = 28 m/min, da li e dodatni pritisak pulsiranja prekoraiti gradijent frakturiranja na peti prethodno ugraene kolone? U peti izgubljene kolone zatitnih cevi ugraen je ventil koji spreava prodor isplake, tako da se pretpostavlja da ta kolona ima zatvoreni kraj. Upotrebiti Bingham-ov plastini model i pretpostaviti laminarni tok u meuprostoru. Osim toga, pretpostaviti da je granina brzina ipke jednaka srednjoj, prosenoj brzini isplake (vp = v). Osnovni podaci o buotini su: - Konana dubina buotine: Z = 3.962 m - Prenik buotine, dleta : Dd = 215,9 mm (8,5) - Ugraena kolona zatitnih cevi: ODk = 244,5 mm (9 5/8x47#) dubina ugradnje kolone: Zkt = 3.048 m unutranji prenik kolone: IDkt = 220,5 mm - Gradijent frakturiranja na peti ugraene kolone: Gf = 2,04 kg/dm3 - Buae ipke : 114,3 mm (4 x16,6#) spoljanji prenik: ODb. = 114,3 mm duina buaih ipki: Lb. = 1.951 m
Brzina sputanja buaih ipki: vp = 28 m/min = 0,47 m/s Izgubljena kolona zatitnih cevi (Liner) 177,8 mm (7x32#): duina izgubljene kolone: Ll = 1.097 m spoljanji prenik kolone: ODl = 177,8 mm Isplaka: gustina isplake: kg/dm3 plastini viskozitet: m Pas granica teenja: Pa Maksimalni dodatni pritisak pulsiranja se javlja kada u toku sputanja dno izgubljene kolone dodirne sedite, tj. petu prethodno ugraene kolone, prikazano na slici. Reenje:
Kapacitet protoka isplake koja izlazi iz buotine kada peta Liner-a dostigne dno prethodno je: 2. Meuprostorna brzina oko buaih ipki i Liner-a, je:
3. Sa slike, pripadajua konstanta K za buae ipke i Liner iznosi: - odnos: buaa ipka/unutranji prenik kolone: 114,3/220,5 = 0,518 K1 0,38 - odnos Liner/prenik buotine: 177,8/215,9 = 0,823 K2 0,45 4. Efektivna meuprostorna brzina oko buaih ipki (ve) i Liner-a (veL),je: 5. Kapacitet protoka isplake oko buaih ipki (Qb. ) i Liner-a (QL ) je: 6. Dodatni pritisak pulsiranja izazvan buaim ipkama i Liner-om za laminarni tok:
7. Ukupni dodatni pritisak pulsiranja je: 8. Ekvivalentna gustina isplake ispod pete kolone je: 9. Pri brzini sputanja ipki tj. Liner-a od 28 m/min, gradijent frakturiranja na peti kolone od Gf = 2,04 kg/dm3 e biti prekoraen jer je kg/dm3 i izazvae se gubitak isplake tj. lom formacije.
10. Realno, reim protoka u meuprostoru bi bio turbulentan naspram Liner-a. Pretpostavka laminarnog protoka u ovom primeru je uraena zbog jednostavnosti i ilustracije.
Uklanjanje estica nabuenog materijala Sposobnost noenja isplake definie se kao sposobnost tenosti da transportuje nabueni materijal kroz prstenasti prostor na povrinu. Pod delovanjem sile tee nabueni materijal, koji je tei od isplake, tei da pada dole ili klizne u meuprostor. Sposobnost isplake da ukloni nabueni materijal zavisi od brzine tenosti, od odnosa gustine estica i gustine tenosti i od veliine i oblika nabuenih estica. Kada je tenost u turbulentnom toku, ona ima mnogo veu sposobnost uklanjanja nabuenog materijala, jer joj je profil brzine spljoten, ali je tok u prstenastom prostoru (izmeu kanala buotine i buaeg alata) uglavnom laminaran. Laminaran tok ima parabolian oblik, to izaziva efekat vrtenja, ili moment obrtanja estica, to ih dovodi u podruje manjih brzina uz zid buotine i uz buae ipke. Meutim, ipke koje se okreu, nastoje da opet bace estice u podruje veih brzina (sredinji deo prstenastog prostora) to se odraava na bolje iznoenje materijala. Pored toga ipke koje rotiraju rasteruju estice, zbog ega one u struji isplake prelaze iz jednog poloaja u drugi. Zato je i ienje buotine uvek bolje kada ipke rotiraju, to je prikazano na slici.
Veliina i oblik estica su takoe faktori koji su veoma bitni za sposobnost iznoenja isplake. Okrugle estice uklanjaju se mnogo tee od pljosnatih. Krupnije estice se takoe uklanjaju tee od sitnijih. U laminarnom toku brzina padanja estica moe biti smanjena zbog: - Poveanja gustine isplake - Smanjenja gustine estica (to ne moe biti kontrolisano) - Poveanja granice teenja isplake - Smanjenje veliine estica (oblik estica je odreen geometrijom dleta i trenjem tenosti) Sposobnost noenja isplake, odnosno, oblik njenog toka u prstenastom prostoru definisan je bezdimenzionalnom vrednou n odnosno sa tkz. reolokim indeksom ponaanja toka, koji je ve prikazan. Oigledno da je mnogo faktora ukljueno u problematiku iznoenja nabuenog materijala na povrinu. Izvedene su jednaine za odreivanje brzine padanja estica i premda one nisu potpuno tane, zbog mnogobrojnih faktora koji utiu, u praksi se uglavnom primenjuju dve: - Chien korelacija - Moor-ova korelacija
Chien- ova korelacija: Chien je razradio pristup odreivanju brzine zaostajanja nabuenog materijala u isplaci, tj. brzine padanja estica nabuenog materijala kroz isplaku, koji je veoma slian Moore-ovoj korelaciji. Chien-ov model prikazan je jednainom: gde su: vp - brzina zaostajanja nabuenog materijala u isplaci, tj. brzina padanja estica nabuenog materijala kroz isplaku (m/s) D - prenik nabuene estice (mm) - prividni viskozitet isplake (mPas) - gustina isplake (kg/dm3) - gustina nabuene estice (kg/dm3)
Za suspenziju bentonita u vodi preporuuje se da se plastini viskozitet primenjuje kao prividni viskozitet isplake . Za polimerne isplake Chien preporuuje izraunavanje prividnog viskoziteta sledeom jednainom: Na osnovu izraunate brzine zaostajanja, tj. padanja estica nabuenog materijala kroz isplaku, Chien-ovom jednainom, odreuje se vrednost kapaciteta protoka isplake koja se zasniva na kapacitetu koji e drati estice nabuenog materijala nepokretnim, ali nee istiti kanal buotine.
Tokom buenja, za odreivanje stvarno potrebnog minimalnog i maksimalnog kapaciteta ispiranja, tj. prosene brzine isplake u meuprostoru koristese jednaine:
Primer:Ako se tokom buenja primenjuje kapacitet ispiranja koji ostvaruje prosenu brzinu isplake u meuprostoru od v = 0,261 m/s, upotrebomChien-ove korelacije proveriti da li e kanal buotine da bude ien na odgovarajui nain i odrediti minimalni i maksimalni kapacitet ispiranja za iznoenje krhotina nabuenih stena iz kanala buotine. Osnovni podaci tokom izrade buotine su: - Prenik buotine, tj. dleta : Dd = 444,5 mm (17,5) - Buae ipke spoljanjeg prenika: ODb. = 127 mm (5) - estice nabuenog materijala: prenik estica: D = 6,35 mm gustina estica: = 2,52 kg/dm3 - Za izradu kanala buotine primenjuje se lignosulfonatna isplaka: gustina isplake: = 1,08 kg/dm3 oitavanja na Fann - viskozimetru: Reenje: 1. Poto se koristi lignosulfonatna isplaka, koja je u osnovi suspenzija bentonita u vodi, na osnovu Chien-ove korelacije plastini viskozitet primenjuje se kao prividni viskozitet:
2. Brzina zaostajanja, tj. padanja nabuenih estica kroz isplaku: 3. Uporeivanjem srednje meuprostorne brzine isplake od v = 0,261 m/s sa brzinom propadanja nabuenih estica od vp = 0,2338 m/s, uoljivo je da je neto brzina kretanja estica navie zanemarljiva jer iznosi samo 0,0272 m/s (0,261-0,2338 = 0,027). Najverovatnije da kanal buotine nee biti proiavan, tj. ien na odgovarajui nain. 4. Da bi se postiglo adekvatno ienje buotine neophodno je brzinu isplake u meuprostoru poveati u skladu sa jednainama: 5. Za uspeno iznoenje krhotina i ienje kanala buotine minimalni i maksimalni kapacitet ispiranja, treba da iznosi:
IZBOR ISPIRNOG FLUIDA (ISPLAKE ZA BUENJE) Pod ispirnim buaim fluidom podrazumevaju se sve vrste fluida koje se koriste kod buenja, tj. ispiranja kanala buotine. Pod terminom isplaka za buenje podrazumeva se suspenzija vrste faze u vodi ili ulju, ili kapljice jedne od ovih tenosti dispergovane u drugoj. Prema API standardu definicija glasi: Termin isplaka obuhvata sve sastave koji se koriste da pomognu proizvodnji, tj. izradi buotine i iznoenju nabuenih estica (krhotina) sa dna buotine na povrinu. Zadatak isplake je da izvri neke ili veinu razliitih funkcija koje zahtevaju operacije izrade buotine. Sa stanovita optimalizacije definicija je: Isplaka za buenje, optimalnog sastava, predstavlja onaj fluid koji odgovarajuom brzinom proticanja kroz dleto ostvaruje i odgovarajuu hidrauliku snagu za ienje dna buotine i dleta, uz istovremenu primenu adekvatnog optereenja i brzine obrtanja, a koji pri tome ostvaruje i najniu cenu kotanja jednog metra buenja kanala buotine. Uslov da ova kombinacija promenljivih parametara ostvari stabilno izbueni kanal buotine, sastoji se u izboru odgovarajueg sastava isplake uz najniu cenu kotanja njene pripreme, obrade i odravanja.
Sastavni delovi isplake Tenu fazu (tenosti) a) Vodu b) Ulje Krute estice a) Inertne, neaktivne estice - pesak-silicijum, krenjak, kreda, dolomit itd. - barit, kalcijum karbonat b) Koloidne, aktivne estice - glina koja bubri, montmorilonit (bentonit) - glina koja ne bubri, ilit, kaolinit c ) Hemijski aditivi - razreivai, smanjivai filtracije, povrinsko aktivne stvari i ostale hemikalije, materijali protiv gubitaka, otopljene soli i dr. Sve komponente isplake pri izradi buotina imaju u svom sastavu sledee osnovne komponente:
Klasifikacija buaih fluida Klasifikacija isplaka: I. Isplake na bazi vode: a) Na bazi svee vode hemijski neobraene isplake 1. Isplake za poetno buenje (bentonitska) 2. Prirodne isplake b) Hemijski obraene isplake 1. Anorganska (fosfatna) isplaka 2. Organska isplaka - Taninska - Lignosulfonatna - Lignitska c) Kalcijumska isplaka 1. Krena 2. Gipsna Generalno posmatrano, sve buae fluide moemo podeliti prema vrsti kontinuirane faze na: A) Isplake (sa kontinuiranom tenom fazom, tj. vodom, ili uljem kao osnovom) B) Ostale ispirne fluide (sa kontinuiranom gasnom fazom)
d) Kalijumska, magnezijumska isplaka 1. Kalijumska (KCl) 2. Magnezijumska (MgO, MgCl) e) Slane isplake 1. Isplake na bazi morske vode 2. Slankaste isplake 3. Zasiene slane isplake f) Nedispergirajue isplake 1.Sa malo vrstih estica 2. Sa malo estica polimerne 3. Sa malo estica, elektrolit polimerne II. Isplake na bazi ulja: a ) ista uljna isplaka b) Iverzna uljna isplaka B) Klasifikacija ostalih ispirnih fluida a) Suvi gas b) Prirodni gas c) Izduvni gasovi d) Magle (kapljice vode rasprtene u vazdunoj struji) e) Pene (mehuri vazduha okrueni filmom vode sa sadrajem agenasa za stabilizaciju pene) f) Stabilne pene (sa polimerima i bentonitom)
FUNKCIJE ISPLAKE Isplaka se pomou ispirnih (isplanih) pumpi utiskuje kroz cevi (buai alat) prema dletu, zatim pod jakim mlazom izlazi iz dleta, vraajui se prema povrini kroz prstenasti prostor izmeu cevi i zida kanala buotine. Kruni tok isplake je prikazan na slici. Isplaka na svom putu mora obaviti niz funkcija veoma bitnih u procesu izrade kanala buotine. Sloena uloga isplake ogleda se u nizu sledeih veoma vanih tehnolokih funkcija:
Iznoenje krhotina (estica) buenih stena sa dna buotine na povrinu Dranje krhotina kada isplaka mirujeOtputanje estica u povrinskim ureajima Stvaranje nepropusnog obloga na zidovima kanala buotine Spreavanje obruavanja zida kanala buotine Izbegavanje oteenja proizvodnih stena (slojeva) Kontrola slojnog (pornog) pritiska i spreavanje dotoka slojnih fluida u kanal buotine Spreavanje korozije buaeg alata Omoguavanje izvoenja raznih tehnikih operacija i merenja u kanalu buotine Hlaenje i podmazivanje dleta i buaeg alata Prenoenje hidraulike snage na dleto
Iznoenje krhotina probuenih stena iz buotine Na krhotine u transportu utie sila gravitacije koja vue estice prema dnu, pri emu dolazi do njihovog klizanja u isplaci. Ako je uzlazna brzina isplake u prstenastom prostoru dovoljno velika da premauje brzinu propadanja krhotina izazvanih silom gravitacije, krhotine e biti iznesene iz buotine na povrinu. Praksa, kod izrade vertikalnih buotina, je pokazala da se optimalna uzlazna brzina isplake u prstenastom prostoru, za standardne prenike buenja i primenjenu gustinu isplake, moe izraunati sledeom jednainom: gde su: vop - optimalna uzlazna brzina isplake u meuprostoru (m/s) Dd - prenik dleta, tj. kanala buotine (mm) - gustina primenjene isplake (kg/dm3)ODb - spoljanji prenik buaih ipki (mm) Qop - optimalni kapacitet ispiranja isplanom pumpom (l/min) Sa poveanjem gustine isplake potrebna je manja uzlazna brzina isplake, tj. kapacitet ispiranja u meuprostoru. Sposobnost noenja isplake, odnosno oblik njenog laminarnog toka u prstenastom prostoru definisan je reolokim indeksom ponaanja n.
Dranje krhotina u lebdeem stanju kad isplaka miruje: Da bi isplaka imala sposobnost dranja estica, ona mora posedovati tiksotropna (gelirajua) svojstva za vreme mirovanja, a da se ponaa kao tenost im se pokrene. Smatra se da je jaina poetnog gela u vrednosti od 1,5-5 Pa (3-10 lb/100 ft2) zadovoljavajua, dok vrednost 10-minutnog gela ne bi trebala prelaziti etvorostruku vrednost poetnog gela. Previsoka vrednost 10-minutnog gela moe prouzrokovati sledee: - slabo isticanje isplake iz buaeg alata kod manevra vaenja alata - oteano uspostavljanje cirkulacije isplakom nakon stajanja- - mogunost frakturiranja (loma) stena pri uspostavljanju cirkulacije - mogunost, tzv. klipovanja kod manevra vaenja alata - prodor slojnog fluida u kanal buotine, itd. Osnovni uzroci prevelike jaine gelova su: - nedovoljna deflokulacija glinenih estica, to znai da isplaci nedostaju dispergatori - prevelika koncentracija vrstih estica, naroito glinenih - zagaivanje isplake katjonima ili anjonima, i dr. Kod dubokih buotina, preporuuje se okretanje buaeg alata (davanje rotacije) pre putanja u rad isplane pumpe, jer se okretanjem alatki razruava struktura 10- minutnog gela i smanjuje pritisak pri pokretanju isplake. Vrednost (jaina) gelova se regulie dispergatorima (rastvaraima),
Otputanje krhotina u povrinskom sistemu: Isplaka u svom krunom toku nosi krhotine stena na povrinu. Na povrini, pak, isplakom noene krhotine iz nje treba odstraniti. U protivnom, krunim tokom isplake krhotine bi se ponovo unosile u buotinu, to bi uzrokovalo potekoe u daljem radu. U odnosu na isplaku, krhotine izbuenih stena mogu biti aktivne ili inertne. - aktivne estice su uglavnom one koje sadre gline; -u inertne uglavnom spadaju: pesak, kalcit, silicijum itd.estice nabuenog materijala nepovoljno deluju na: - parametre buenja, jer smanjuju mehaniku brzinu buenja i poveavaju potreban broj dleta - fiziko-mehanike osobine isplake, jer nepovoljno utiu na gustinu, viskozitet, granicu teenja, gelove, filtraciju i debljinu glinenog obloga - oteuju (habaju) dleto, buai alat, hidrociklone, delove isplanih pumpi i drugo. Krhotine izbuenih stena, tj. krute estice u isplaci mogu biti razliitih oblika i veliina, a i vrlo usitnjene. Prema njihovoj gustini mogu se podeliti na estice niske gustine od 2,5-3 kg/dm3 i estice visoke gustine preko 4. Odnos sadraja krutih estica u odnosu na gustinu isplake prikazan je na slici.
Iz navedenih razloga moraju se, to je vie mogue, ukloniti estice (krhotine) probuenih stena iz isplake. To se postie odreenim mehanikim sredstvima (optimalni raspored opreme na povrini za kontrolu sadraja vrste faze prikazan je na slici) sledeim nainima: Taloenjem Razreivanjem Zamenom Prosejavanjem Hidrocikliranjem (desandiranjem i desiltiranjem) Kombinacijom desiltriranja i prosejavanja Centrifugiranjem
Taloenje krutih estica: Taloenja krutih estica obavlja se u talonicima ispod vibro sita, isplanim koritima, pa i u bazenima za isplaku. Brzina taloenja obrnuto proporcionalna prividnom viskozitetu isplake, koja je pod uticajem granice teenja, odnosno gela isplake. Brzina taloenja raste sa poveanjem veliine estica. Postoje hemijski spojevi, tzv. flokulanti, koji kada se dodaju u isplaku veu estice u vee skupine, pa se bre i lake taloe. Dobrom taloenju pomae i nizak poetni gel. Razreivanje (razvodnjavanje): Tokom buenja u isplaku stalno ulaze nove estice. Za odravanje zapreminskog procenta estica na odreenoj vrednosti, isplaci je potrebno dodavati vodu. Za svaki m3 dodane vode mora se dodati i odgovarajua koliina bentonita, barita, dispergatora i ostalih aditiva, pa se takav nain regulisanja krutih estica smatra najskupljim. Zbog toga se taj nain vezuje za problem odbacivanja prekomerne zapremine isplake. Zamena (osveavanje): Zamenom se jedan deo postojee isplake odbacuje, a dodaje se deo nove, svee isplake. Pri zameni isplake, njezina zapremina u radu ostaje konstantna. Takav nain regulisanja krutih estica je neto ekonominiji od razreivanja, ali je i on skup.
Prosejavanje:Prosejavanjem se vee estice uklanjaju iz isplake pri njenom prolazu kroz vibro sita, tj. vibrator postavljen na prvom, talonom isplanom bazenu.Vibrator se sastoji od konstrukcije u ijem gornjem delu su postavljen horizontalna ili kosa sita koja su povezana sa specijalnim vibrirajuim sistemom.Cilj prosejavanja je da se ukloni to vie estica iz isplake. Radi toga je potrebno koristiti sita sa to manjim otvorima, ali e time biti ograniena zapremina tenosti koja moe proi kroz sito, pa se u praksi obino korist po dva vibratora. Uobiajene oznake sita i veliine otvora prikazane su u tabeli:
U hidrociklone se ubrajaju desanderi i desilteri.Razlika meu njima je u preniku konusa i njihovom broju. Desanderi imaju prenik konusa od 152,4 mm(6) i uobiajeno 6 komada po bateriji (ureaju), a desilteri prenik konusa od 101,6 mm(4) i 12 komada po bateriji.Isplaka se u njih uvodi tangencijalno, ispod njihovog vrha, pod odreenim pritiskom. Zbog jake vrtlone (centrifugalne) struje, tee se estice sakupljaju na zidovima konusa, odakle izlaze napolje na donjem otvoru, a tenost sa finijim esticama se u sredini penje prema gore i izlazi napolje na gornjem otvoru.Hidrocikloni: Za uspean rad hidrociklona bitne su dve komponente: izdanost napajanja hidrociklona pritisak na ulazu u hidrociklon Desanderi (6) imaju izdanost protoka oko 400 lit. po konusu, odnosno 2.400 lit. po bateriji, a desilter oko 190 lit. po konusu, odnosno 2.000 lit/min po bateriji. Pritisak na ulazu je ograniene vrednosti, tj. ne sme prelaziti 2,8 bar(40psi). Radno podruje desandera dosee za izdvanjanje estica do 35 mikrona, a desiltera do 15 mikrona, ali sa razliitom efikasnou uklanjanja estica sa obzirom na njihovu veliinu.
Preista isplake, kombinacija desiltriranja i prosejavanja (Mud Cleaner):
Mud Cleaner se sastoji iz baterije desiltera u kombinaciji sa dvostrukim vibracionim sitom.
Ispod baterije desiltera nalazi se fino vibraciono sito (200x200 mesha), pa materijal koji izlazi ispod desiltera odlazi na vibrator.
Deo materijala koji proe kroz sito ostaje u isplaci, dok se materijal sa sita odbacuje u kontajner.
Mud Cleaner se moe koristiti i pri radu sa oteanim isplakama, kako bi se smanjio gubitak barita.
U radu sa njime, iz isplake e biti uklonjene sve estice vee od 74 mikrona, a kako su estice barita uglavnom sitnije, tj. manjih dimenzija od 74 mikrona, one e biti sauvane. estice manje od 74 mikrona, koje izazivaju povienje viskoziteta isplake ostaju i dalje u isplaci.
Da bi se i one mogle ukloniti koriste se centrifuge, te se na taj nain spreava koncentracija finih estica u isplaci, a toje naroito bitno kod primene uljnih isplaka.
Centrifugiranje:Centrifuga je namenjena za uklanjanje vrlo finih estica iz isplake, koje se ne mogu odstraniti korienjem dosada nabrojene opreme.Teoretski, centrifuga bi trebala uklanjati estice do veliine od 2 mikrona, ali je stvarni doseg u zavisnosti od efektivne viskoznosti tenosti koja istie iz centrifuge.Izdvojene estice predstavljaju vrlo gustu masu u koju je, za uspeno uklanjanje, potrebno dodavati vode.Centrifuga radi na principu centrifugalne sile. Sastoji se od spoljanjeg i unutranjeg konusa koji rotiraju, a isplaka ulazi kroz osovinu. Spoljanji plat rotira velikom brzinom (1.500-3.500 0/min) najee 1.800 0/min, a unutranji u odnosu 1:80 25 0/min. Centrifuga odvaja dve vrste estica, s tim to se svaka vrsta sa obzirom na veliinu odvaja na posebnom vodu. estice vee od 2-5 mikrona odvajaju se u jednom mlazu, a manje od 2-5 mikrona u drugom mlazu. time se postie odvajanje istog barita koji se ponovo vraa u sistem, dok se ostale estice odbacuju. Primenjuje se primarno za odravanje oteanih isplaka, ali je i kod uljnih kao i kod isplaka sa niskim sadrajem vrstih estica njena primena, takoe, velika.
estice u isplaci mogu se klasificirati po veliini, to je prikazano na slici kao: - koloidne estice: 2 mikrona ili manje - silt : 2-74 mikrona - pesak : vee od 74 mikrona
Iz prikazane slike, uoljivo je da veliina granulacije barita veoma varira i da e se deo barita lako odstraniti iz isplake bilo taloenjem ili hidrociklonima.
Stvaranje nepropusnog obloga na zidovima kanala buotine: Isplaka sastoji od tene faze i vrstih (krutih) estica, tako da e zbog hidrostatikog pritiska njenog stuba u buotini, u poroznim stenama, doi do filtriranja, tj. odvajanja tene faze koja ulazi u porozne stene, dok e se na licu tih stena stvarati tzv. kola, odnosno oblog, sastavljen od vrstih estica iz isplake i vode. Kod klasinih isplaka, najtanji, najilaviji i najnepropusniji oblog (kola) e dati dobro hidratisane estice bentonita, pa je zato neobino vano da te isplake sadre optimalnu koliinu kvalitetnih, tj. dobro hidratisanih estica. Kod polimernih isplaka filtracije u propusne slojeve regulie se pomou polimera u njoj,a kako je koncentracija estica kod polimernih isplaka vrlo niska, one nemaju izrazit glineni oblog, nego je on u obliku filma ili mree. Isplake emulgirane sirovom naftom ili dizel uljem (5-10% zapr.) takoe pomae u snienju filtracije i poboljanju kvaliteta glinenog kolaa. U praksi postoje dva tipa filtracije, i to: - statika filtracija, koja se odvija kada tenost miruje - dinamika filtracija, koja se odvija kada tenost protie preko povrine filtriranja Oba tipa fitracije odvijaju se tokom izrade buotine. Dinamika filtracija razlikuje se od statike jer tok isplake uz zidove buotine nastoji da erodira oblog koji se stvorio u toku procesa filtriranja. Oblog se stvara dok se brzina odlaganja ne izjednai sa brzinom erozije. Za isti period filtriranja, oblog pri statikoj filtraciji e biti deblji, a koliina filtrata manja nego pri dinamikoj fitraciji.
Za prouavanje fenomena fitracije primenjuje se Darcy-eva jednaina, koja se moe prikazati u obliku sledee: gde su: V - zapremina filtrata; S - povrina filtriranja; K - propusnost obloge; - diferencijalni pritisak kroz oblogu; t - vreme u kojem se vri fitracija; - viskozitet viltrata; V1 - specifina zapremina Na osnovu navedenih jednaina parametri koji deluju na filtraciju su sledei:Povrina filtriranja: Zapremina filtrata je srazmerna povrini filtriranja i ona se smanjuje sa povienjem koncentracije kvalitetne estice u isplaci (estice lapora, silta, barita ili peska nisu kompresibilne i loe utiu na proces filtriranja). Diferencijalni pritisak kroz oblogu:Praktino, jer je oblog koji stvori glinovita suspenzija kompresibilan, udvostrueujem diferencijalnog pritiska, koliina filtrata e se u suspenziji bentonita u vodi poveati za 5-15%. Sa druge strane, sa manje koloidnom suspenzijom (glina iz sloja plus voda) zapremina filtrata e se udvostruiti kada se pritisak udvostrui.Temperatura:Temperatura utie i na aditive u isplaci (cepanje i raspadanje), tako da ona ima znatan uticaj na vrednost filtracije. Filtracija pod povienom temperaturom i pritiskom je od 2 do 5 puta vea nego na sobnoj temperaturi i pritisku od 7 bar. Viskozitet filtrata: Praktino uticaj je zanemarljiv zbog malih varijacija viskoznosti filtrata. Mora se uzeti u obzir da se viskoznost filtrata menja sa temperaturom.
ADITIVI ZA REGULACIJU FILTRACIJE:
Klasine isplake: Kako kontrola filtracije samo pomou estica bentonita nije dovoljna, u praksi se koriste sledei aditivi za njenu regulaciju: - skrob, stabilan do temperature oko 120 oC - karboksimetilceluloza, stabilna do oko 140 oC - metal-lignit, stabilan do oko 200 oC - metal-lignosulfonat, stabilan do oko 170-180 oC - hidrolizirani akrilonitril, stabilan do oko 220 oC Da bi se sigurno znalo da u isplaci ima dovoljno bentonitskih estica, potrebna je njihova kontinuirana kontrola, sa tzv. MBT testom (metilen blue test), to predstavlja koliinu adsorbiranog metilenskog plavila koja se nepovratno adsorbira na glineno-silikatni materijal, dok se na neglinene materijale ne adsorbira.
Polimerne isplake: Kod polimernih isplaka brzina filtracije u propusne slojeve regulie se pomou polimera u njoj. Kod jako propusnih slojeva u koje se isplaka gubi u umerenim koliinama, (interesantnih za kasniju proizvodnju),mogue je polimernoj isplaci dodati mleveni kalcijum karbonat (CaCO3), ije e estice stvoriti premotavanje na licu sloja i tako spreiti ulazak isplake ili drugih estica u sloj.
Spreavanje obruavanja zida kanala buotine:
Proirenje kanala buotine uzrok je nizu tehniko-tehnolokih problema pri buenju, a posebno u pogledu ostvarenja kvalitetne cementacije zatitnih cevi. Generalno posmatrano, na stabilizaciju nestabilnih formacija u procesu izrade buotine moe se delovati podeavanjem osobina isplake i mehanikim zahvatima: PODEAVANJE OSOBINA ISPLAKE: Gustinu isplake treba prilagoavati razvoju pornih (slojnih) pritisaka. Podizanje gustine isplake iznad gradijenta pornih pritisaka za oko 0,1 kg/dm3, je osnovna metoda za spreavanje obruavanja kanala buotine; Gelove isplake treba drati na umerenim vrednostima radi izbegavanja oscilacija pritisaka i klipovanja: pH vrednost isplake treba drati u granicama od 9-10; Prilikom buenja dugakih sekcija, tzv. kriljavih glina za podeavanje osobina isplake je bitno: - fitracija isplake treba da je niska u cilju izbegavanja hidratacije ovih formacija, jer su osnovni uzrok potekoa mikropukotine osetljive na filtrat; - pre ulaska u ove formacije, isplaci je neophodno dodati potrebnu koliinu aditiva na bazi bitumena za zatvaranje mikropukotina; - primeniti odgovarajui tip inhibitora isplake u cilju izbegavanja mogue osmotske hidratacije.
MEHANIKI ZAHVATI: Treba izbegavati velike uzlazne brzine isplake u prstenastom prostoru, to e usloviti smanjenje proirenja kanala buotine uzrokovanog erozijom; Potrebno je ostvariti dobro ienje buotine podeavanjem uzlazne brzine i profila toka isplake (kombinacijom vrednosti plastinog viskoziteta i granice teenja tako da se n faktor nalazi u granicama od 0,6 - 0,7); Neophodno je postii efikasno ienje isplake primenom mehanike opreme na povrini za kontrolu vrstih (krutih) estica; Brzina manevra alatom (vaenje i sputanje) treba bi
Recommended
