Расчет гидростатического давления в скважине


Гидростатическое давление

Гидростатическое давление представляет собой давление силы, возникающей под действием веса столба жидкости, на единицу площади.

 
 
Гидростатическое давление зависит от двух величин: плотности (веса) жидкости и высоты столба жидкости в скважине. Оно никак не зависит от диаметра, формы, прост-ранственного направления сосуда, т.е. скважины. В наклонно – направленных скважинах высота столба жидкости равна вертикальной проекции профиля ствола скважины. Это иллюстрируется рисунком 1.1:

Рис. 1.1

Расчёт численной величины гидростатического давления - это наиболее частый вид расчёта в бурении. Он выполняется по формуле:

Рг = r ´ Н ´ к где:

Рг – гидростатическое давление:

r – плотность (вес) жидкости;

Н – высота столба жидкости;

к – коэффициент, величина и размерность которого зависит от используемой системы единиц. В системе СИ он равен ускорению свободного падения g = 9,8 м/сек2. При расчёте численной величины гидростатического давления следует придерживаться одной системы единиц, чтобы не запутать себя и коллег по работе. К сожалению на практике ещё не получила подавляющего преимущества ни одна из систем единиц. Чтобы научиться ориентироваться в многообразии единиц, будем использовать разные системы в последующих демонстрационных расчётах и примерах. На буровой встречаются манометры, проградуированные в атмосферах, барах, мегапаскалях, psi(фунт на квад-ратный дюйм), поэтому необходимо помнить соотношение этих единиц в пределах погрешности манометров :

Р (атм., бар, кгс/см2) » 10 ´Р (МПа) » 0,07´ Р (psi).

Но, если быть более точным, то:

Р (бар)= 105´ Р (Па) = 1,02´Р (кгс/см2) = 0,069´Р (psi)или

Р (атм) = Р (кгс/см2) = 0,98´Р (бар) = 9,8´Р (МПа) = 0,07´Р(psi).

Всегда важно знать величины гидростатического давления, оказываемого столбом промывочной жидкости имеющейся плотности в нескольких критических точках ствола скважины. Эти точки: забой, башмак последней спущенной колонны, голова хвостовика, глубина установки муфты ступенчатого цементирования или стыковочного узла секций обсадных колонн, глубины залегания флюидосодержащих и поглощающих пластов.

Именно гидростатическое давление столба бурового раствора является первым барьером (первой линией защиты) системы противофонтанной безопасности.

Page 2

Пластовое и поровое давления

Пластовое давление - это давление, созданное миллионнолетними природными процессами и техногенными факторами внутри полостей материалов, находящихся ниже уровня грунта. Оно создаётся под действием лежащих друг на друге пород, флюидов и т.д. Пластовое давление определяется как давление флюидов, содержащихся в пласте- коллекторе. Если пласт непроницаем, то он не является коллектором, но в осадочных породах всегда имеются поры, заполненные каким-либо флюидом. В этом случае говорят о поровом давлении. Пластовое и поровое давления могут быть рассчитаны и спрогнозированы с большой точностью, но не всегда, поскольку на них влияют структурные напряжения Земли и эластичность некоторых пластов.

Несмотря на близость понятий пластового и порового давлений их обязательно надо различать т.к. их физические проявления в бурении существенно отличаются. Если превышение пластового давления над гидростатическим давлением столба бурового раствора приведёт к выбросу, то такое же превышение порового давления над гидростатическим вызовет осложнения ствола скважины (сужение, осыпи, обвалы), но выброс, скорее всего, не вызовет.

В большинстве случаев пластовое и поровое давления пропорциональны глубине пласта и плотности воды с минерализацией, существующей в данном регионе. Любое отклонение величины давления в большую или меньшую сторону принимается как аномально высокое (АВПД) или аномально низкое (АНПД) пластовое давление – Рпл. Степень отклонения давления называется коэффициентом аномальности (Ка) и рассчитывается как отношение фактического давления в пласте к гидростатическому давлению столба пресной воду на заданной глубине. Коэффициент аномальности величина безразмерная, но, поскольку плотность пресной воды равна 1 г/см3, то численное значение коэффициента равно значению плотности промывочной жидкости в г/см3, уравновещивающей давление данного пласта. В зависимости от значения коэффициента аномальности применяется более подробная классификация пластовых давлений:

Ка 2,0 – сверхвысокое.

Дифференциальное давление это разница между гидростатическим и пластовым или поровым давлениями в условиях скважины. Его определение необходимо для оценки вероятностей поглощения или проявления, осложнений ствола скважины, влияния на механическую скорость бурения и др.

Управление дифференциальным давлением осуществляется регулированием плотности (веса) промывочной жидкости.

studopedia.su

Нюансы расчета гидростатического давления в скважине

Под гидростатическим давлением понимается давление жидкости, которое возникло из-за силы тяжести. Такое явление нашло применение в физике, в медицине и технической промышленности. К примеру, кровяное давление представляет собой гидростатическое давление, которое испытывают кровеносные сосуды. В основном кровяным можно назвать и артериальное давление. Очень часто можно наблюдать, как возникает гидростатическое давление в скважине.

Схема скважины на воду.

Некоторые особенности

Гидравлика имеет два раздела:

  • гидростатика;
  • гидродинамика.

Под гидростатикой понимается раздел гидравлики, который изучает законы давления жидкости, ее равновесного состояния. Причем все явления выражают математические расчеты. Гидростатическое давление очень часто можно встретить на практике, например, измерение давления.

Жидкость в состоянии покоя всегда подвергается воздействию, получившему название гидростатического давления. Вода постоянно давит на тело сосуда. Частицы воды, располагающиеся в верхних слоях, испытывают небольшую силу сжатия, если сравнивать с частицами, расположенными на дне.

Гидростатическое давление отличается некоторыми характерными свойствами:

Таблица потерь давления.

  1. Каждая точка поверхности воды подвергается гидростатическому воздействию, которое направлено под 90° к площадке, имеющей касание выделенного объема. Действие давления осуществляется внутрь совершенно любого объема воды.
  2. Куда бы ни направлялось гидростатическое давление, его величина всегда остается одинаковой, что подтвердили сделанные расчеты.
  3. Координаты пространства никак не влияют на величину гидростатического давления.
  4. Вид резервуара, где содержится жидкость, например, колодцы, не оказывает никакого воздействия на величину гидростатического давления. Чтобы сделать расчет, необходимо умножить плотность жидкости на размер высоты резервуара и скорость свободного падения.
  5. Одинаковое количество жидкости, находящееся в резервуарах различной формы, давит с разной силой на днище емкости. Так как такое давление находится в прямой зависимости от размера столба жидкости, очень узкие сосуды подвергаются большему воздействию в сравнении с широкими. Поэтому даже малое количество жидкости способно организовать огромное давление.

Читайте также:

Что делать, если грунтовые воды близко к дому.

Технология колонкового бурения.

О горизонтальном бурении читайте здесь.

Когда скважина подвергается интенсивной эксплуатации, возникает уменьшение пьезометрического уровня. Вследствие этого происходит падение давления в скважине. Конечно, это очень невыгодно, однако падение позволяет вызвать приход горячей воды, которая находится на большой глубине.

Схема кривой восстановления давления в скважине.

Так как расчет показал, что чем глубже находится вода, тем выше ее температура, при уменьшении в скважине пьезометрического уровня происходит повышение температуры жидкости. Такое явление можно увидеть в Лардерелло. Это явление несет с собой положительный эффект, благодаря ему можно получить большое количество электроэнергии.

Бурение скважин для получения воды, их дальнейшая эксплуатация приводят к нарушению натурального природного баланса. Появляется новый баланс, то есть новейший гидротермальный механизм. Уменьшение пьезометрического уровня влияет на давление, оно начинает стремительно снижаться. В результате такой слой пытаются занять воды глубоких пластов, а также других гидротермальных систем. Именно поэтому воду из термальных месторождений можно без ущерба скважине брать намного больше, чем она поступает из естественных источников.

Однако этот объем жидкости достаточно относителен. Ведь вода в скважине не бесконечна. Наступит такой момент, когда вода в скважине закончится. Чтобы исправить положение, придется делать углубление скважины, устанавливать насосы для подачи воды в скважине. В результате подземное тепло станет очень дорогим. Поэтому любое месторождение требует точного расчета объема воды в скважине, который можно безболезненно забирать из колодца.

Когда бурятся скважины: нюансы

Начинать бурение скважин лучше до начала строительства дома.

Схемы скважин при ударно канатном бурении.

Таким образом будет сэкономлено немало денежных средств и времени. Вода в скважине сделает строительство более удобным, не нужно будет заниматься поиском водяного источника.

Для начала работ нужно сделать точную планировку местонахождения всех объектов. Выполнить расчет площади участка, учесть все нюансы. Конечно, можно пробурить скважину и для уже построенного дома. Сегодня очень много организаций, которые специализируются на организации водоснабжения в любых условиях. Такие работы выполняются на специальном техническом оборудовании.

Как сделать расчет уровня жидкости

Рассчитать уровень, определить силу напора достаточно просто. Для этого нужно знать некоторые основные правила. Чтобы определить гидростатическое давление, требуется иметь:

  • расстояние от водной плоскости до точки, где было начато измерение;
  • величину удельной плотности;
  • размер давления, которое оказывает внешнее воздействие на среду.

Если замеры выполняются в совершенно открытой емкости, нужно с помощью преобразователя измерить величину относительного давления. Это позволит не брать во внимание давление, которое имеет окружающая среда. Расчетная формула выглядит так:

h=p/(ρ*g), где:

Схема измерения уровня воды в скважине.

  • p — гидростатическое давление;
  • ρ — величина удельной плотности;
  • g — размер свободного падения;
  • h — размер водяного столба.

Если применяется абсолютно закрытая емкость, например, используемая для различных химических веществ, провести расчет, сделать точные измерения намного сложнее. Воздушная масса, которая находятся в закрытой емкости, оказывает воздействие на имеющуюся жидкость, в результате образуется дополнительное давление.

В связи с этим придется воспользоваться несколькими преобразователями. Один для измерения гидростатического давления, а другой — воздействия, которое создает воздушная масса, располагающаяся выше жидкости. Для такой работы желательно, чтобы классические преобразователи измеряли одинаковый вид давления, которое может быть:

  • относительным;
  • абсолютным.

Практически подойдет любое. Для данного случая расчет будет выглядеть таким образом:

h=(p2-p1)/((ρ*g), где:

  • p2 — гидростатическое давление;
  • p1 — газовое давление;
  • ρ — удельная плотность;
  • g — величина скорости свободного падения;
  • h — высота жидкости;
  • м — уровень.

Точность гидростатики: основные моменты

Когда проводятся работы по образованию измерительной системы, необходимо всегда учитывать показания датчика, иногда они бывают не совсем точными. Они зависят от:

  • удельной плотности;
  • температуры окружающей среды.

Размер удельной плотности не всегда будет иметь постоянное значение. К примеру, когда измеряется морская вода, происходит увеличение удельной плотности. Это происходит из-за высокого содержания соли.

Как результат — возникает повышенное давление. Это может быть воспринято как увеличение высоты уровня, однако эта величина могла не измениться. В крайнем случае она изменилась минимально.

Когда среда, в которой проходят измерения, не подвергается никаким изменениям, возьмем, к примеру, топливо для дизельных двигателей, то разрешается игнорировать изменение показателя удельной плотности.

Схема расчета гидростатики.

Перепады температуры могут оказывать влияние на размер удельной плотности. Когда происходит повышение температуры, наблюдается снижение плотности и возрастание уровня. Однако гидростатическое давление, когда происходит изменение уровня, не в состоянии отреагировать на это адекватно.

Форма резервуара оказывает на давление каждой жидкости определенное влияние. Когда проводятся измерения, можно увидеть повышение уровня из-за перепада температуры. Величина воздействия в это время может говорить лишь об уменьшении уровня, когда расширение емкости направлено вверх. Возможно, что величина уровня соответствует действительности или имеет место непропорциональное повышение. Иногда плотность повышается из-за падения окружающей температуры, свойства становятся противоположными. Чтобы выполнить более точный расчет, требуется провести компенсацию скачков температуры.

Что такое напор: характеризующие данные

Под размером гидростатического напора понимаются характерные свойства любой жидкости, состоящей в покое. Величину силы напора принято измерять метрами.

Данные определения напора выглядят следующим образом:

  • z — геометрический напор;
  • hp — пьезометрическая высота.

В основном гидростатический напор выражает размер энергии покоя любой жидкости. К примеру, от высоты водонапорной башни зависит сила напора, который поступает в водопроводную систему. Характеристика hp относится к размеру давления. Если появилось избыточное давление, значит, оно образовалось в водопроводе, следовательно, будет иметь место большой напор. Жидкость сможет подниматься на любую высоту.

Отсчет напора для разных точек жидкости производится от единой горизонтальной плоскости. Это необходимо для сравнения их положения. За горизонтальную поверхность может быть взята абсолютно любая поверхность. Если труба установлена горизонтально, в некоторых случаях расчет проводится относительно осевой линии трубы. В этом случае геометрическая высота становится нулем. Очень часто отметки высоты приравнивают к абсолютным геодезическим маякам, которые берут отсчет от усредненного уровня плоскости мирового океана. У нас в стране уровень отсчитывается от поверхности Балтийского моря.

Важнейшей особенностью гидростатического напора является его одинаковая величина относительно всех точек покоя воды, которые имеют гидравлическую связь. Расчет доказал, что сила напора равна на любой глубине, хотя давление может быть разным.

В открытом резервуаре величину напора точки водной поверхности найти очень просто. Нужно от горизонтальной поверхности замерить расстояние до открытого уровня воды, испытывающего атмосферное давление.

moyaskvazhina.ru

Гидростатическое давление

Калькулятор ниже предназначен для расчета неизвестной величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости. Сама формула:

Калькулятор позволяет найти

  • давление столба жидкости по известным плотности жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
  • высоту столба жидкости по известным давлению жидкости, плотности жидкости и ускорению свободного падения
  • плотность жидкости по известным давлению жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
  • ускорение свободного падения по известным давлению жидкости, плотности жидкости и высоте столба жидкости

Вывод формул для всех случаев тривиален. Для плотности по умолчанию используется значение плотности воды, для ускорения свободного падения - земное ускорение, и для давления - величина равная давлению в одну атмосферу. Немного теории, как водится, под калькулятором.

Найтидавление плотность высота ускорение свободного падения

Точность вычисления

Знаков после запятой: 2

Высота столба жидкости, м

Плотность жидкости, кг/м3

Ускорение свободного падения, м/с2

Гидростатическое давление — давление столба воды над условным уровнем.

Формула гидростатического давления выводится достаточно просто

Из этой формулы видно, что давление не зависит от площади сосуда или его формы. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом объеме создать довольно высокое давление. В 1648 г. это продемонстрировал Блез Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула.

Также это приводит к такому явлению как гидростатический парадокс.

Гидростатический парадокс — явление, при котором сила весового давления налитой в сосуд жидкости на дно сосуда может отличаться от веса налитой жидкости. В сосудах с увеличивающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда меньше веса жидкости, в сосудах с уменьшающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда больше веса жидкости. Сила давления жидкости на дно сосуда равно весу жидкости лишь для сосуда цилиндрической формы.

На картинке вверху давление на дно сосуда по всех случаях одинакова и не зависит от веса налитой жидкости, а только от ее уровня. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Давление жидкости на наклонные стенки имеет вертикальную составляющую. В расширяющемся кверху сосуде она направлена вниз, в сужающемся кверху сосуде она направлена вверх. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме вертикальных составляющих давления жидкости по всей внутренней площади сосуда

Источники в википедии: Гидростатическое давление Гидростатический парадокс

planetcalc.ru

Гидростатическое давление, давление гидроразрыва горной породы

Гидростатическое давление бурового раствора на забой pб.р(МПа) - давление столба бурового раствора на забой на глубине H

pб.р=pб.рgH              (1.29)

Дифференциальное давление ∆p - разность давления бурового раствора на забой скважины и пластового

∆p=pб.р+рг.д-рпл          (1.30)

где рг.д - гидродинамическое давление, рассматриваемое в зависимости от выполняемой технологической операции: при циркуляции раствора в затрубном пространстве или при пуске насоса.

Величина ∆p оказывает существенное влияние на увеличение сопротивления разрушению пород. С увеличением Н влияние ∆p на показатели работы долот возрастает. В случае если pб.р≈pпл, то рост рг.д (репрессия на пласт) может стать причиной поглощения бурового раствора.

Давление гидроразрыва горной породы рг.д (МПа) - давление столба жидкости в скважине на глубине H, при котором происходит разрыв связной породы и образование в ней трещин. Определяется опытным путем.

При полном отсутствии данных

ргр = 0,87рг;                            ргр=0,83Н + 6,6рпл                      (1.31)

Давление поглощения pпогл - давление в скважине, при котором начинается утечка бурового раствора по искусственным трещинам, образующимся в результате гидроразрыва связной породы, либо по естественным каналам в трещиноватых и закарстованных породах. Принимается по фактическим данным или по опытным нагнетаниям (подача 1-2 л/с).

При отсутствии данных

pпогл= (0.75÷0,95)ргр          (1.32)

Относительное давление по воде в закрытой скважине kотн - отношение давления рH на глубине Н в скважине с закрытым устьем, частично или полностью заполненной пластовой жидкостью, к давлению пресной воды

pотн=pн/ρвgH.                  (1.33)

Индекс давления поглощения ρ'погл представляет собой отношение ρ'погл, к давлению столба пресной воды:

p'погл =pпогл/p                    (1/34)

или

kпогл =pр.т/ρв                   (1.35)

где pр.т - давление раскрытия микротрещин или давление гидроразрыва монолитных пород.

Для прогнозирования ориентировочных значений kпогл можно воспользоваться формулой

kпогл≈(1-ζ)ka+ζ(1,8÷2,5)                    (1.36)

Величину 1,8 принимают близ дневной поверхности; 2.3-2.5 - на большой глубине. Значения ζ желательно определять по данным о давлениях разрыва горной породы (раскрытия микротрещин), полученных в ранее пробуренных скважинах на данной или других площадях со сходными горно-геологическими условиями.

Пример 1.9 Определить давление, оказываемое буровым раствором плотностью рбр=1260 кг/м3 на стенки скважины на глубине 2000 м.

Решение. По уравнению (1.29) на глубине 2000 м.

рб.р=9,81·1260·2000=24,72 Мпа.

www.drillings.ru


Смотрите также