Математическая модель движения бурового раствора по сетке вибросита

Автор: Кичкарь И.Ю.

Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu

Рубрика: Машиностроение и машиноведение

Статья в выпуске: 3 т.24, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. При бурении нефтяных или газовых скважин порода из забоя выносится на поверхность буровым раствором, который очищается от шлама на первой стадии виброситами. Вибросита оснащаются такой сеткой и создают такие траектории виброколебаний рамы, чтобы с одной стороны - обеспечивать очистку поступающего из устья скважины бурового раствора, а с другой - обеспечивать должную степень очистки. Для корректного подбора номенклатуры сеток нужно надежно определять пропускную способность вибросита в реальных условиях. Это позволит заранее заказать требуемое количество сеток с нужным размером ячеек. Ранее исследования проводились путем просеивания смеси калиброванных гранул на стандартном вибростенде или процеживанием минерального масла через неподвижную сетку. Однако это не в полной мере соответствует реальным условиям просеивания бурового раствора. Целью данной работы было моделирование пропускной способности бурового вибросита в реальных условиях путем расчета движения бурового раствора по вибрирующей сетке с использованием её ранее полученной удельной пропускной способности.Материалы и методы. При создании математической модели полной пропускной способности бурового вибросита использовалась известная ранее математическая модель течения жидкости в открытом канале и конечномерная аппроксимация в виде последовательности участков из сосредоточенных емкостей, соединенных гидравлическими проводимостями (по аналогии с аппроксимацией электрических длинных линий и протяженных газопроводов методом конечных элементов). Расход течения жидкости над сеткой определялся по закону Шези. При этом площадь сечения потока над сеткой для конкретного участка определялась как среднее арифметическое между начальным и конечным значением высоты бурового раствора на соответствующем участке.Результаты исследования. Составлена цепная расчетная схема просеивания бурового раствора. На основании материального баланса разработаны математические модели определения пропускной способности и высоты бурового раствора над сеткой: для первого участка сетки и первой узловой точки сетки; для последующих участков сетки и последующих узловых точек сетки; для последнего участка сетки и крайней узловой точки сетки.Получена математическая модель движения бурового раствора по сетке вибросита, которая вследствие конечномерного представления этого потока по n участкам длины сетки представляет собой систему из n интегральных уравнений, описывающих сосредоточенные емкости, и n - 1 алгебраических уравнений, описывающие перетоки бурового раствора между емкостями.Обсуждение и заключение. Движение бурового раствора по длине сетки вибросита соответствует движению установившегося неравномерного потока в открытом русле. Однако в первом случае - объемный расход по длине переменный (убывающий до нуля), а во втором случае - постоянный по длине. Поэтому использование только одного дифференциального уравнения установившегося неравномерного потока в открытом русле в данном случае недостаточно.Полученная математическая модель движения бурового раствора по сетке вибросита является математическим обоснованием для разработки моделирующей программы по определению пропускной способности вибросита для реальных условий его работы, то есть для конкретного бурового раствора, данной сетки или заданной системы приводов вибросита.

Еще

Буровое вибросито, вибрирующая сетка, высота слоя раствора, материальный баланс, пропускная способность, граничные условия, узловые точки

Короткий адрес: https://sciup.org/142242435

IDR: 142242435   |   УДК: 681.5:622.24   |   DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-3-246-254

Mathematical model of drilling mud movement along a shale shaker screen

Introduction. When drilling oil or gas wells, rock from the bottomhole is brought to the surface by drilling mud, which is cleaned of sludge by shale shakers at the first stage. Shale shakers are equipped with such a screen and create such trajectories of vibration of the frame in order to solve a dual problem: on the one hand, to provide the cleaning of the drilling mud coming from the well mouth, and on the other hand - to maintain the proper degree of cleaning. To correctly select the nomenclature of screens, it is necessary to reliably determine the throughput capacity of a shale shaker in the real-time setting. This will allow you to pre-order the required number of screens with the required cell size. Previously, studies were conducted by sieving a mixture of calibrated granules on a standard shaker or by straining mineral oil through a fixed screen. However, this does not fully correspond to the actual conditions of drilling mud screening. The objective of this article was to simulate the throughput of a drilling shale shaker under real conditions by calculating the movement of drilling mud along a vibrating screen using its previously obtained specific throughput capacity.Materials and Methods. When creating a mathematical model of the full throughput capacity of a shale shaker, a previously known mathematical model of fluid flow in an open channel and a finite-dimensional approximation in the form of a sequence of sections of concentrated containers connected by hydraulic conductivities (by analogy with the approximation of long electrical lines and extended gas pipelines by the finite element method) were used. The fluid flow rate over the screen was determined according to Chézy law. In this case, the cross-sectional area of the flow above the screen for a specific section was specified as the arithmetic mean between the initial and final values of the drilling mud height in the corresponding section.Results. A chain calculation scheme for sieving drilling mud was compiled. Based on the material balance, mathematical models were developed for determining the throughput and height of drilling mud above the screen: for the first section of the screen and the first nodal point of the screen; for subsequent screen sections and subsequent screen nodal points; for the last section of the screen and the last nodal point of the screen.A mathematical model of the drilling mud movement along the shale shaker screen has been obtained, which, due to the finite-dimensional representation of this flow along n sections of the screen length, is a system of n integral equations describing concentrated tanks, and n - 1 algebraic equations describing the flow of drilling mud between tanks.Discussion and Conclusion. The movement of drilling mud along the length of the shale shaker screen corresponds to the movement of a steady uneven flow in an open channel. However, in the first case, the volume flow along the length is variable (decreasing to zero), and in the second case, it is constant along the length. Therefore, the use of only one differential equation for steady uneven flow in an open channel is not sufficient in this case. The resulting mathematical model of the drilling mud movement along the shale shaker screen is a mathematical basis for the development of a modeling program to determine the throughput of the shale shaker for real operating conditions, i.e., for a specific drilling mud, a given screen or a given drive system of the shale shaker.

Еще

Список литературы Математическая модель движения бурового раствора по сетке вибросита

  • Плетнев Н.С., Семенов Н.В. Анализ типовых конструкций вибрационных сит и особенностей их эксплуатации. В: Материалы Всероссийской конференции с международным участием c элементами научной школы «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии». Томск: Издательство ТПУ; 2015. С. 632-635. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/18336/1/conference tpu-2015-C109-118.pdf (дата обращения: 29.04.2024). Pletnev NS, Semenov NV. Analysis of Standard Designs of Vibrating Screens and Features of Their Operation. In: Proc. All-Russian Conference with International Participation with Elements of a Scientific School "Modern Problems of Hydrogeology, Engineering Geology andHydrogeoecology of Eurasia". Tomsk: TPU Publ.; 2015. P. 632-635. (In Russ.) URL: https://earchive.tpu.rU/bitstream/11683/18336/1/conference tpu-2015-C109-118.pdf (accessed: 29.04.2024).
  • Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. Москва: Недра; 2003. 1007 с. URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-bulatov-ai-proselkov-Yum-shamanov-sa-tehnika-i-tehnologiya-bureniya-neftvanvh-i-.pdf (дата обращения: 20.05.2024). Bulatov AI, Proselkov YuM, Shamanov SA. Drilling Technique and Engineering of Oil and Gas Wells. Moscow: Nedra; 2003. 1007 p. (In Russ.) URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-bulatov-ai-proselkov-yum-shamanov-sa-tehnika-i-tehnologiya-bureniya-neftYanyh-i-.pdf (accessed: 20.05.2024).
  • Рязанов А.Я. Энциклопедия по буровым растворам. Оренбург: Летопись; 2004. 664 с. URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-enciklopediYapoburovYmrastvoram.pdf?ysclid=lwYzixbik6960660361 (дата обращения: 20.05.20204). Ryazanov AYa. Encyclopedia of Drilling Fluids. Orenburg: Letopis'; 2004. 664 p. (In Russ.) URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01002873248 (accessed: 20.05.2024).
  • Сансиев В.Г. Гидродинамические основы процесса ситовой очистки бурового раствора. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2009;75(3):41-46. Sansiev VG. Hydrodynamic Principles of the Drilling Mud Screening Process. Oil and Gas Studies. 2009;75(3):41-46.
  • Сансиев В.Г. Моделирование процессов классификации и обезвоживания угольного шлама на сите грохота. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013;(7):325-335. Sansiev VG. Modeling of Coal Sludge Classification and Dehydration Processes on Screen. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2013 ;(7):325-3 35.
  • Головин М.В., Добик А.А., Кортунов А.В., Мищенко В.И. Современные тенденции развития вибросит для очистки буровых растворов. Бурение и нефть. 2014;(3):50-52. URL: https://burneft.ru/archive/issues/2014-03/14 (дата обращения: 20.05.2024). Golovin MV, Dobik AA, Kortunov AV, Mishchenko VI. Modern Development Trends of Shale Shakers for Drilling Mud Cleaning. Drilling and Oil. 2014;(3):50-52. URL: https://burneft.ru/archive/issues/2014-03/14 (accessed: 20.05.2024).
  • Кичкарь Ю.Е., Кичкарь И.Ю., Миллер А.С. Способ определения удельной пропускной способности сеток вибросит. Патент РФ, № 2379127 C 1. 2010. 8 с. URL: https://patents.s3.yandex.net/RU2379127C1 20100120.pdf (дата обращения: 20.05.2024). Kichkar YuE, Kichkar IYu, Miller AS. Estimation of Vibration Screens Nets Specific through Capacity. RF Patent No. 2379127 C 1. 2010. 8 p. URL: https://patents.s3.yandex.net/RU2379127C1 20100120.pdf (accessed: 20.05.2024).
  • Кичкарь Ю.Е., Кичкарь И.Ю. Исследование влияния параметров колебаний рамы на удельную пропускную способность вибросита. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2017;(8):37-40. /v/e Kichkar YuE, Kichkar IYu. A Study of the Frame Vibration Parameters Influence on a Vibrating Screen Specific Capacity. Automation, Telemechanization and Communication in Oil Industry. 2017;(8):37-40.
  • Penagos HP, Gantiva ME, López JAA. Detection of Failures in the Operation of Shale Shaker Machines for the Separation of Solids In: Proc. 3rd International Conference on Electrical, Computer, Communications andMechatronics Engineering (ICECCME). New York City: IEEE; 2023. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/ICECCME57830.2023.10253357
  • Zhipeng Lyu, Sizhu Zhou. Design of Spatial Lissajous Trajectory Vibrating Screen. In book: Jianrong Tan (ed). Advances in Mechanical Design. Singapore: Springer; 2020. P. 493-498. https://doi.org/10.1007/978-981-32-9941-2 40
  • Кичкарь И.Ю., Кичкарь Ю.Е., Посмитная Л.А. Способ управления системой приводов вибросита. Патент РФ, № 2649203. 2018. 14 с. URL: https://patents.s3.vandex.net/RU2649203C1 20180330.pdf (дата обращения: 20.05.2024). Kichkar YuE, Kichkar IYu, Posmitnaya LA. Method of Vibrating Sieve Drives System Control. RF Patent No. 2649203. 2018. 14 p. URL: https://patents.s3.vandex.net/RU2649203C1 20180330.pdf (accessed: 20.05.2024).
  • Osadolor AO, Bashir ME, Osifo TI. Development and Evaluation of a Small-Scale Shale Screening Machine. Nigerian Journal of Scientific Research. 2022;21(1):72-78.
  • Korostelkin AA, Filintsev AA, Novokshonov VV, Nikitin AV. On Shale Shaker's Structural Optimization and Performance Improvement. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;986(1):012058. https://doi.org/10.1088/1757-899X/986/1/012058
  • Калинин А.В. Зависимость коэффициента Шези от числа Фруда. Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2019;5(3):38-56. Kalinin AV. Dependence of the Chezy Coefficient from Froud Number. Journal of Science and Education of NorthWest of Russia. 2019;5(3):38-56.
  • Васильева Т.Н., Аронов Л.В. Математическая модель режимов работы распределительной электрической сети значительной протяженности. Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени ПА. Костычева. 2012;14(2):51-54. URL: https://vestnik.rgatu.ru/archive/2 2012.pdf?vsclid=lwz0apvfH690751007 (дата обращения: 20.05.2024). Vasileva TN, Aronov LV. The Mathematical Model of the Long-Distance Transmission Circuits Operating Regimes. Herald of Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev. 2012;14(2):51-54. URL: https://vestnik.rgatu.ru/archive/2 2012.pdf?vsclid=lwz0apvfii690751007 (accessed: 20.05.2024).
  • Мешалкин В.П., Чионов А.М. Компьютерное моделирование протяженных многослойно изолированных подводных газопроводов высокого давления. Математическое моделирование. 2017;29(8): 110-122. URL: https://www.mathnet.ru/links/b0a80e5d714ee1ef962f28050fffa21f/mm3880.pdf (дата обращения: 20.05.2024). Meshalkin VP, Chionov AM. Computer Modeling of the Long Multilayer-Insulated High-Pressure Subsea Gas Pipeline. Matematicheskoe modelirovanie. 2017;29(8):110-122. URL: https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&irnid= mm&paperid=3880&option lang=eng (accessed: 20.05.2024).
  • Блехман И.И. Теория вибрационных процессов и устройств. Вибрационная механика и вибрационная техника. Санкт-Петербург; Издательский дом «Руда и металлы»: 2013. 640 с. Blekhman II. Theory of Vibration Processes and Devices. Vibration Mechanics and Vibration Engineering. St. Petersburg: Publ. House "Ruda i metally"; 2013. 640 p. (In Russ.)
  • Куликов В.О., Брейдо И.В. Пропуск резонансных частот вибрационного грохота с использованием преобразователя частоты Mitsubishi Electric FR серии A800. Наука настоящего и будущего. 2019;1:222-226. URL: http://elib.kstu.kz/fulltext/temat/2019/elibrary 41177383 25140206.pdf (дата обращения: 20.05.2024). Kulikov VO, Breido IV. Skipping Resonant Frequencies of Vibrating Screen Using Mitsubishi Electric FR A800 Series Frequency Converter. Science: Present and Future. 2019;1:222-226. (In Russ.) URL: http://elib.kstu.kz/fulltext/temat/2019/elibrary 41177383 25140206.pdf (accessed: 20.05.2024).
  • Булатов А.И. Системный анализ исследований течения вязко-пластичных жидкостей - глинистых и цементных растворов (ч. 1). Бурение и нефть. 2016;(3):18-23. URL: https://burneft.ru/archive/issues/2016-03/18 g (дата обращения: 20.05.2024). Bulatov AI. System Analysis of Current Research Visco-Plastic Liquids - Clay and Cement Mortars (Part 1). Drilling о and Oil. 2016;(3):18-23. URL: https://burneft.ru/archive/issues/2016-03/18 (accessed: 20.05.2024). g
  • Байгалиев Б.Е., Гортышов Ю.Ф., Самойленко А.В. Исследование влияния откосов на гидравлические сопротивления трапецеидальных русел. Вестник Казанского государственного технического университета u им. А.Н. Туполева. 2012;(2):35-43. Baigaliev BE, Gortyshov YuF, Samoilenko AV. Investigation of the Slope Influence on Hydraulic Resistances of Trapezoidal Channels. Vestnik of Tupolev KNRTU. 2012;(2):35-43. о
  • Абдюкова Р.Я., Хабибуллин М.Я. Расчет геометрических размеров клапана бурового насоса и | определение высоты подъема тарели. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2015;(5): 15-18. Abdyukova RYa, Habibullin MYa. Calculation of Geometric Dimensions of a Mud Pump Valve and Determination of the Plate Lifting Height. Equipment and Technologies for Oil and Gas Complex. 2015;(5):15-18.
  • Меретуков З.А., Заславец А.А., Кошевой Е.П., Косачев В.С. Методы решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Новые технологии. 2012;(1):36-41. Meretukov ZA, Zaslavets AA, Koshevoi EP, Kosachev VS. Methods of Solving Differential Equations of Hydrodynamics. New Technologies. 2012;(1):36-41.
Еще