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

Рис. 45. Принципиальная схема установки для исследования теплоотдачи глинистых растворов:

1 — опытный участок; г — внутренняя труба; з — наружная труба; 4 — внутренний нагре­ ватель; 5 — наружный нагреватель; в — теплоизоляционное покрытие; 7, 10 — токосъемник; S, 1S — электродвигатель; я — перфорированный диск; 11 — дифференциальный манометр; 12 — отстойник; 13 — охладитель; 14 — редуктор; 16 — датчик расходомера; 17 — цирку­ ляционный насос; 18 — сборник жидкости; 19 — мерная емкость.

Рис. 46. Схема расположения термопар для измерения температуры стенки рабочего участка:

а, б — внутренняя труба; в, г — наружная труба.

Нагреватель намотан на стальной стержень, покрытый изоляци­ онным материалом и выполняющий роль одного из токоподводов нагревателя. Подвод питания к нагревателю осуществляется через вращающийся токоподводник со щетками. На нижнюю трубу, изо­ лированную сверху, намотан четырехсекциопный нагреватель на­ ружного обогрева. Мощность наружного нагревателя изменялась в зависимости от применяемой в опытах наружной трубы от 3 до

Рис. 47. Общий вид экспериментальной уста­ новки для исследования теплоотдачи.

6,2 кВт. Наружный нагреватель выполнен из нихромовой прово­ локи диаметром 2 мм. В качестве изоляционных материалов приме­ нялись слюда, асбошнур и пропитанная термостойким лаком стекло­ лента. Витки нагревателен изолированы друг от друга стеклонитью. Расположение обоих нагревателей показано на принципиальной схеме установки (см. рис. 45).

Мощность на нагреватели подается через трансформаторы типа РНО и измеряется при помощи амперметров и вольтметров.

Наружный нагреватель надежно изолируется от окружающей среды и от фланцев торцовых камер асбестом во избежание тепловых

потерь. Кроме того, тепловые потери через изоляцию опытного уча­ стка контролируются при помощи прибора ИТП-5. Внутреипие по­ верхности камер изолированы текстолитом. Для уменьшения по­ терь тепла через торцы внутренняя труба соединяется с хвостовиками через текстолитовые переводники. В корпусах подшипников пред­ усмотрены уплотнения во избежание утечек глинистого раствора.

Наружная и внутренняя трубы опытного участка в процессе опытов могут заменяться трубами другого диаметра.

Вход в опытный канал выполняется острым или плавным в зави­ симости от гидравлического режима течения модельной жидкости. Это достигается при помощи текстолитовых фланцев с требуемой фор­ мой входной рамки, которые одновременно выполняют роль тепло­ изоляции входной камеры.

При изготовлении опытного участка предусматривалось обеспе­ чение соосности цилиндрических поверхностей. Все необходимые узлы изготовлялись с одной установки на специальном токарном станке согласно разработанной для этой цели технологической карте. Все стыкующиеся детали выполнены со специальными фиксирующими приспособлениями, ограничивающими взаимное смещение деталей. Обеспечение заданного эксцентриситета в расположении внутрен­ ней и наружной труб достигается поворотом наружной трубы от­ носительно фиксаторов на верхнем и нижнем фланцах трубы, рас­ положенных соосно по образующей, параллельной осям обеих труб.

При проведении опытов в круглой трубе из опытного участка извлекается внутренняя труба вместе с корпусами подшипников, при этом торцовые камеры с внешних сторон закрываются глухими крышками.

На опытном участке перепад давления измеряется с помощью дифференциального манометра ДТ-50. Перед манометром располо­ жены отстойники из органического стекла для предохранения его от засорения. Для измерения перепада температур глинистого рас­ твора в начале и конце участка предусмотрены вводы десятиспайпой дифференциальной термопары. Для выравнивания температуры рас­ твора по сечению па выходе рабочего канала расположен перфори­ рованный диск.

Для измерения температуры стенки по периметру труб прорезаны канавки на 2/з периметра. В них уложены термопары из хромель-ко­

от электронагревателей. Горячие спаи термопар приварены к стен­ кам труб.

Канавки сверху зачеканены пластинками из того же материала, что и трубы. На внутренней трубе заделано 16 термопар, а на внеш­ ней трубе — 12 термопар. На обеих трубах термопары расположены в восьми сечениях. Термопары из внутренней трубы выводятся наружу к токосъемнику. Все термопары включались в схему потен­ циометра ППТН-1 с зеркальным гальванометром М-2517 в качестве нуль-прибора. Измерение температур проводилось с точностью

180

0,1° С, исключая измерения дифференциальной термопарой, которая градуировалась по термометру Бекмана с точностью до 0,02° С. Схема расположения термопар представлена на рис. 46.

Циркуляция глинистого раствора в процессе опытов происходит в цикле: насос — теплообменник — расходомер — опытный уча­ сток — мерная емкость — сборный бак.

Соединительные линии выполнены из бронированных шлангов. В схеме установки предусмотрена линия промывки циркуляционного контура. Перед включением экспериментальной установки в работу глинистый раствор предварительно перемешивался в сборном баке при помощи рамной мешалки. После разрушения таким образом структуры неподвижного раствора запускался циркуляционный насос, на байпасной линии которого полностью открывался вен­ тиль, при этом вентиль на напорном патрубке насоса оставался за­ крытым, в результате чего глинистый раствор с максимальным рас­ ходом циркулировал по короткому контуру: сборный бак — насос — сборный бак. В результате многократной прокачки по такому кон­ туру обеспечивалось равномерное перемешивание глинистого рас­ твора. Одновременно с пуском насоса включался электронагрева­ тель, расположенный в сборном баке. После нагрева раствора до требуемой температуры открывался напорный вентиль и вся система заполнялась глинистым раствором. При этом из воздушных крани­ ков, установленных в верхних точках теплообменника и смеситель­ ной камеры опытного участка, стравливался наружу воздух, нахо­ дящийся в системе. Затем включался измерительный блок расходо­ мера. Требуемый расход глинистого раствора устанавливался при помощи вентилей на напорной и байпасной линиях насоса. После этого включался электронагреватель опытного участка. Постоянная температура глинистого раствора на входе в опытный участок регу­ лировалась подачей холодной воды во вращающийся теплообменник. После выхода установки в стационарный режим производились не­ обходимые замеры.

стенки канала, мощность электронагревателя, тепловые потери рабочего участка через изоляцию в окружающую среду.

Показания расходомера ИР-1М контролировались измерениями расхода объемным способом при помощи мерной емкости, снабжен­ ной смотровым стеклом с тарпровочиыми отметками. Для этой цели закрывались краны на обводной линии мерной емкости и на выходе самой емкости, заполняемой при этом раствором. Время заполнения емкости глинистым раствором фиксировалось секундомером.

Показания термопар фиксировались поочередным подключением термопар к потенциометру при помощи переключателей в зависи­ мости от того, температура стенки какой трубы измерялась в данном опыте, причем одним из переключателей осуществляется общее переключение термопар внутренней и наружной труб опытного участка, а на остальных предусмотрены клеммы для подключения

181

дифференциальной термопары для измерения температуры раствора на входе в опытный участок.

Тепловые потери рабочего участка измерялись с помощью дат­

зиметре (см. рис. 34) производились после охлаждения проб до

водится горизонтальная прямая до пересечения с осью ординат lg ReKP,

-182

а также по разности тепловыделений электронагревателя и тепловых потерь в окружающую среду. Разбаланс этих величин ие превы­ шал 5%.

При расчете критериев подобия в качестве определяющей темпе­ ратуры, при которой выбирались значения входящих в них реоло­ гических и теплофизических параметров, была принята средняя

с учетом глубины заложепия горячих спаев термопар. Из получен­ ных локальных значений температуры рассчитывалась средняя тем­

пература стеики

k

где — расстояние между точками заложения термопар; tt и £г+1 — температура стенки в начале и конце участков.

Результаты оценки погрешиостей в экспериментальных исследо­ ваниях теплоотдачи приведены в табл. 13.

УРАВНЕНИЕ ПОДОБИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА И РАСЧЕТНЫ Е ЗАВИСИМ О СТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ

ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ В БУРЯ Щ И ХС Я С К В А Ж И Н А Х

Из теории теплообмена известно, что для изучения явлений те­ плообмена необходимо располагать совокупностью соответствующих безразмерных комплексов, из которых можно было бы выбрать необходимые критерии подобия применительно к той или иной кон­ кретной постановке задачи.

Для оценки результатов экспериментальных исследований уста­ навливают количественную связь между критериями подобия, пред­ ставляемую в виде степенных критериальных зависимостей. Такие зависимости сохраняют свою справедливость для всех явлений, которые происходят в геометрически подобных системах и для кото­ рых характерны одни и те же диффёренциальные уравнения и усло­ вия однозначности. Критериальные зависимости являются наиболее простыми и удобными для практических расчетов.

Некоторые авторы предлагают использовать при обработке экс­ периментальных данных по конвективному теплообмену неныотоиовских жидкостей критериальные зависимости для ньютоновских

183