Файл: Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин.pdf

Более широко данный вопрос рассматривался в работе [55], в которой исследовались вязко-пластичные жидкости, отвечающие реологической модели ПІульмана

основные характеристики теплообмена для различных вязко-пла­ стичных тел. Расчетный анализ по этим зависимостям дал возможность авторам [55] сделать вывод о том, что наличие диссипации увеличи­ вает значение локальных коэффициентов теплоотдачи, что объяс­ няется перестройкой температурного профиля, связанной с ростом температурных градиентов у стенок трубы, где рассеяние механиче­ ской энергии происходит особенно интенсивно.

Для бингамовской среды конвективный теплообмен с учетом дис­ сипативного фактора исследовался 3. П. Шульманом и другими при течении в кольцевом зазоре. Задача решалась методом прогонки при однородных и неоднородных условиях первого рода для ряда значений реологических и геометрических параметров.

Экспериментальному исследованию ламинарного теплообмена вяз­ ко-пластичных жидкостей в трубах досвящены работы С. С. Кута-

по теплоотдаче жидкостей: 4%-ного раствора ЛВС в воде и 1,25%-ного раствора Na—КМЦ в воде.

Поскольку в опытах наблюдались значительные изменения вяз­ кости но сечению канала, результаты экспериментов приводились

где I — длина канала; Т — константа, характеризующая природу вязко-пластичного тела, имеющая размерность времени; t — время.

В результате обработки экспериментальных данных А. Д. Маго­ медов получил уравнение подобия для расчета теплоотдачи

169

б'I

где Re = —-------- ------ обобщенный критерии Рейнольдса, учиты-

— 4- —

Re ' I

вающий силы трения при движении упруго-вязко-пластичной жид-

исследовали конвективный теплообмен нелинейно вязко-пластичных систем в круглых трубах. В качестве рабочих жидкостей в опытах применялись лакокрасочные композиции.

Определение безразмерных комплексов-критериев подобия, ха­ рактеризующих процесс, выполнялось по методу л-теоремы. Функ­

где П — параметр пластичности, п — параметр нелинейности. Результат вывода по методу л-теоремы соответствует результа­

там, найденным при аналитическом решепии задачи.

Анализ экспериментальных данных показал, что большинство лакокрасочных композиций при температурах, превышающих 60° С, ведет себя как ньютоновские жидкости.

В области турбулентного течения известны исследования тепло­ отдачи слабо неныотоновскпх жидкостей К. Упндппга, К. Орра и Дж. Далла Валле. Авторы пришли к выводу, что в данном случае пригодны известные зависимости для ньютоновских жидкостей.

А. Метцнер и другие считают, что в случае жидкостей с явно выраженным неныотоновским поведением можно пользоваться «нью­ тоновскими» зависимостями, если в критериях Re и Рг соответству­ ющим образом выбрать вязкость.

Б. И. Есьман и С. М. Кулиев предложили пользоваться так называемой эффективной вязкостью, но при этом считают, что соот­ ветствующие числовые коэффициенты и показатели степени в кри­ териальных уравнениях должны иметь иное значение, чем у «ньюто­ новских» зависимостей.

Работа Б. Есьмана, Г. Габузова и Р. Керимова является пока единственной работой, посвященной экспериментальному исследо­ ванию теплоотдачи глинистых буровых растворов.

Опыты проводились в горизонтальной трубе круглого сечения. Температура раствора во всех опытах поддерживалась постоянной и равнялась 40° С.

170

Полученные зависимости (9.14), (9.15) полностью совпадают с фор­ мулами для ньютоновских жидкостей с заменой входящих крите­ риев на обобщенные. Такой случай возможен для слабо пепыотоновских жидкостей, когда значения величины т0 настолько незначитель­ ны, что эффективная вязкость (9.13) практически превращается

вструктурную вязкость т) и, следовательно, обобщенные параметры мало отличаются от обычных, включающих структурную вязкость.

Впротивном случае числовые коэффициенты и показатели степени

вкритериальных зависимостях должны иметь иные значения. Вполне возможно, что на эти результаты оказали определенное влияние некоторые особенности конструктивного и методологического ха­ рактера проведения опытов (отсутствие в схеме установки охлади­ теля жидкости, малое число точек измерения температуры стенки рабочего канала, отсутствие смесительной камеры на выходе ка­ нала перед точкой замера температуры жидкости). Кроме того, авто­ ры встретили трудности при обработке опытных данных, заключа­ ющиеся в невозможности соблюдения постоянства обобщенных кри­

териев Рг' и Gr', зависящих от скорости, и оперировали средними значениями указанных параметров, которые удалось получить для некоторых групп опытов.

Т. Мизушиной и Е. Куриваки проведено экспериментальное из­ мерение коэффициентов трения и теплообмена при турбулентном течении вязко-пластичных жидкостей в прямоугольных и круглых каналах. В качестве рабочей жидкости в опытах использовалось це­ ментное тесто, реологическая характеристика которого представля­ лась моделью Бингама — Шведова.

Результаты обобщались с помощью модифицированной аналогии Чилтона — Колберна, основанной на использовании кажущейся вязкости, рассчитанной при напряжении сдвига на стенке. Опытные данные для вязко-пластичной жидкости согласуются с выведенной

Величина а рассчитывается методом проб и ошибок, что крайне неудобно для практического использования формулы (9.16).

171

G учетом того, что в диапазоне условий опытов величина (1 — а)1! 15 составляла 1 ч- 0,85, авторы аппроксимировали формулу (9.16), после чего она приняла вид

соответствующий случаю теплоотдачи ньютоновских жидкостей. Теплоотдача при турбулентном режиме течения различных вод­ ных суспензий изучалась В. И. Кофановым. Опыты проводились с водными суспензиями мела, песка, угля, алюминия и железа при

весовой концентрации от 1 до 13%.

Критериальная зависимость, обобщающая результаты проведен­

метр трубы; d4 — средний диаметр частиц порошка твердого компо­ нента; рж, рт — плотность соответственно жидкости и твердого ком­ понента; сРіЖ, СріТ — теплоемкость тех же веществ.

Уравнению (9.18) удовлетворяют единичные данные К. Орра и Дж. Далла Валле по теплоотдаче глинистых суспензий. Однако водные суспензии В. И. Кофаиова и К. Орра обладали сравнительно низкой концентрацией.

Исследования конвективного теплообмена неныотоповских жид­ костей в каналах кольцевого сечения до сих пор не получили долж­ ного развития.

С. М. Кулиев, Б. И. Есьмап, Г. Г. Габузов рассматривали во прос конвективного теплообмена непосредственно в скважинах. При этом использовались данные по замеру забойных и устьевых темпе­ ратур в скважинах. Для воды, которой промывались скважины, коэффициенты теплоотдачи подсчитывались по известным зависимо­ стям для ньютоновских жидкостей. При промывке скважины гли­ нистым раствором с тем же расходом было обнаружено активное снижение температуры раствора па забое по сравнению с температу­ рой воды. Авторы работы [32] вполне справедливо объяснили этот факт более низкими коэффициентами теплоотдачи глинистых раство­ ров по сравнению с водой при одинаковых значениях расхода. При понижении коэффициентов теплопередачи уменьшается интенсив­ ность теплообмена жидкости с породами. В верхней части скважины, где температура жидкости больше температуры горных пород, жид­ кость менее интенсивно охлаждается; в нижней части скважины жидкость менее интенсивно нагревается. Следовательно, понижение иитеисивности теплообмена ведет к повышению устьевой и пониже­ нию забойной температур промывочной жидкости. Снижение же ко­ эффициентов теплопередачи происходит в результате изменения ре­ жима движения, несмотря на неизменность расхода.

172