冲砂水力计算

冲砂水力计算

摘要：本文就正循环冲砂的水力计算进行了工程上的探讨，给出了循环排量Q、压力P、流速ν,以及砂子返出地面的时间t等四项循环参数的计算方法，以作参考。

关键词：水力计算排量压力流速 时间

Abstract: in this paper the hydraulic blasting height cycle computing project, this paper gives the circulation displacement, velocity and pressure P Q ν, and return to the ground of the sand time t, four of the cycle parameters calculation method for your reference.

Keywords: hydraulic calculation displacement pressure flow velocity of time

在水力冲砂过程中，影响水力计算的因素较多，本文取正循环冲砂工程上的简单计算，假定流体为层流状态，忽略冲砂管串及循环套管通径变化对水力的影响，由此来计算各项循环参数：排量Q、压力P、流速ν,以及砂子返出地面的时间t，用来指导清砂作业。

排量计算

试验证明，保证能将砂子带出地面的条件是

νt＞2νd

式中：νt—冲砂液上返速度，m/s；

νd—砂子在静止冲砂液中的自由下沉速度，m/s，通过现场实验测定。

通过实验测定，直径为425-825微米（20-40目）的石英砂在静止清水中的自由下沉速度约为0.15m/s。

由上式可以得出砂子返出地面的最低流速为

νmin＝2νd

从而可以求得冲砂时所需的最低排量

Qmin＝1000×60A×νmin

＝1.20×105×A×νd

式中：Qmin—水泥车的最低排量，L/min；

冲砂液上返过流面积，m2；

νd—砂子在静止冲砂液中的自由下沉速度，m/s。

因此，在冲砂时，为保证砂子能顺利返出地面，必须保证水泥车的排量大于Qmin。

在现场，如果水泥车有排量表，则可直接读取排量；如果没有安装排量表，水泥车排量计算可由下式求得：

排量=(转速/传动比)×冲程×柱塞面积×1000

式中：Q—水泥车排量，L/min；

转速可由转速表读得，r/min；

冲程可现场测得，一般为0.20m；

常用400型水泥车基本参数可参考表（一）。

表（一）康明斯NTA855-C400型水泥车基本参数

8.6

二、流速计算

根据管道流量公式Q=νt×A 可以得出冲砂液上返流速为

νt=Q/A

式中：A—为环空过流面积，m2；

Q—水泥车排量，m3/s；

νt—冲砂液上返流速，m/s。

三、砂子返出地面时间

在冲砂过程中，砂子从砂面返出地面的时间为

t=H/νs

式中：H—砂面深度，m；

t—砂子从砂面返出地面的时间，s；

νs—砂子上返速度，νs=νt-νd ，m/s。

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四、压力计算

在常规冲砂过程中，以一个稳定的水泥车排量，不考虑循环管径的变化，由此来计算水泥车建立正常循环时的循环压力，根据U形管的静压力原理，此时的循环压力，即是冲砂管串和环孔的水力摩阻损失。

由水力学谢才计算公式ν=C×（RJ）∧0.5

以及曼宁公式C=R∧1/6/n

式中：ν—流速，m/s；

J—水力坡度，J ＝hf/H = P/(ρgH)，hf—水头损失；

C—为谢才系数，m∧0.5/s；

n—为钢管粗糙度；

R—水力半径，R=A/X，m，A为过流面积，X为水流与圆管边界接触的周长。

综合以上计算公式可以推出：

P=10-6Q2ρgHX/(C2A3)

式中：P—进出口压差，MPa；

Q—水泥车排量，m3/s；

ρ—冲砂液密度，Kg/m3；

g—重力加速度，9.8N/ Kg；

H—冲砂井深，m；

X—湿周，m；

C—为谢才系数， m∧0.5/s；

A—过流面积，m2

在冲砂时，有两段圆管，分别为冲砂管柱与环空，因此可以推出在某一流量下的循环泵压为： P=P1+P2

=10-6Q2ρg H[X1/(C12A13)+X2/（C22A23)]

式中，H—为冲砂井深，m；

X1—为冲砂管柱内圆周长，X1=πd1，m；

X2—为环空圆环周长，X2=π（d2+D），m；

A1—冲砂管柱内圆面积，A1=πd12/4，m2

A2—环空面积，A2=π（D2-d22）/4，m2

d1—为冲砂管柱内径，m；

d2—为冲砂管柱外径，m；

D—为循环套管内径，m。

如果冲砂进行到一定井深，假设环空悬浮的地层砂重量为m，则产生附加压力P3

P3=mg/ A2

此时循环泵压应为：

P=10-6Q2ρg H[X1/(C12A13)+X2/（C22A23)]+10-6mg/ A2

式中，m—环空悬浮的砂子重量，Kg；

C1、C2的取值可参照表（二）。

表（二）常用油套组合的水力参数

注：油管及套管粗糙度取绝对值0.01

参考文献

作者简介冯振 男 1974年7月30日出生, 1997年7月毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，本科,青海油田井下作业公司研发中心研发员，邮编816400 电话18997373263

参考文献

1、《工程流体力学》 归柯庭，汪军，王秋颖，科学出版社。

2、《工程流体力学:水力学》 伍悦滨，中国建筑工业出版社。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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