Что такое гидростатическое давление в скважине

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:

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.

Что делать, если грунтовые воды близко к дому.

Каким бывает давление в скважине

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:

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:

Схема измерения уровня воды в скважине.

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:

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

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:

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:

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.

Источник

Гидростатическое давление

Давление в скважине, создаваемое столбом бурового раствора, называется гидростатическим Р_гс, и может быть определено из выражения

Для предотвращения поступление пластового флюида в скважину гидростатическое давление должно быть больше пластового. Необходимая плотность бурового раствора при известном пластовом давлении определяется по формуле

,

где — необходимое превышение давления над пластовым.

Нормативно установлено, что при глубине скважины до 1200 м это превышение должно составлять 10‑15 % от пластового, но не более 1,5 МПа, при глубине до 2500 м 5‑10 %, но не более 2,5 МПа, при глубине более 2500 м 4-7 %, но не более 3,5 МПа.

Следует отметить, что с увеличением глубины, а следовательно, и давления, плотность раствора увеличивается, а с увеличением температуры уменьшается. При глубинах до 3000 м эти явления взаимоисключают друг друга и их можно не учитывать. При больших глубинах влияние температуры более весомо, что приводит к ощутимому снижению плотности раствора.

Гидростатическое давление в скважине может снижаться по следующим причинам.

Во первых, из-за снижения плотности раствора в процессе бурения, поэтому необходим постоянный контроль этого параметра в соответствии с регламентом.

Во вторых, за счет опорожнения скважины при подъеме инструмента, поэтому необходим долив раствора.

В третьих, при отсутствии циркуляции бурового раствора за счет седиментации шлама, температурных изменений, фильтрации, контракции. Величина снижения давления ΔР_гс при остановках до 10 час принимается равной

.

При остановках более 10 час.

.

В четвертых, за счет частичного ухода раствора в окружающие породы во время ремонтов, простоев, геофизических исследований.

Давление гидроразрыва

— величины горного давления;

— естественной трещиноватости горных пород;

— реологических свойств и расхода жидкости разрыва.

С увеличением глубины давление гидроразрыва увеличивается и приближается к горному. Как показывают визуальные наблюдения (на нефтяных шахтах) и специальные исследования, раскрытие искусственных трещин при гидроразрыве может доходить до 20 мм, а их протяженность до нескольких десятков и даже сотен метров.

Величина давления гидроразрыва может быть определена следующим образом. Устье скважины герметизируется и в колонну бурильных труб закачивается буровой раствор, при этом постоянно фиксируется его давление и объем, и строится диаграмма, показанная на рис. 1. На участке ОА пласт противостоит создаваемому давлению, в точке А начинает поглощать жидкость и зависимость «давление–объем» становится нелинейной. В точке В давление превышает напряжения в стенках скважины, что приводит к образованию искусственных трещин и резкому падению давления на устье

Это и есть давление гидроразрыва. Давление в точке С называется давлением распространения разрыва. При этом образовавшиеся трещины уходят вглубь массива горных пород.

При отсутствии фактических данных давление гидроразрыва Р_гр может быть определено по следующим формулам, предложенными разными авторами

где — коэффициент Пуассона.

Его ориентировочные значения приведены ниже.

Источник

Гидростатическое давление: формула и свойства.

Гидростатическое давление – это давление, производимое на жидкость силой тяжести.

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей и рассматривается практическое приложение этих законов.

Для того, чтобы понять гидростатику необходимо определиться в некоторых понятиях и определениях.

В этой статье мы подготовили для Вас, всю необходимую информацию о гидростатическом давлении, начиная от закона Паскаля и определения формулы гидростатического давления и до свойств давления и применения законов гидростатики в повседневной жизни.

Содержание статьи

Закон Паскаля для гидростатики.

В 1653 году французским ученым Б. Паскалем был открыт закон, который принято называть основным законом гидростатики.

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Закон Паскаля легко понимается если взглянуть на молекулярное строение вещества. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они способны перемещаться друг относительно друга, в отличии от твердых тел. В твердых телах молекулы собраны в кристаллические решетки.

Относительная свобода, которой обладают молекулы жидкостей и газов, позволяет передавать давление производимое на жидкость или газ не только в направлении действия силы, но и во всех других направлениях.

Закон Паскаля для гидростатики нашел широкое распространение в промышленности. На этом законе основана работа гидроавтоматики, управляющей станками с ЧПУ, автомобилями и самолетами и многих других гидравлических машин.

Определение и формула гидростатического давления

Из описанного выше закона Паскаля вытекает, что:

Величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость и определяется произведением

ρ – плотность жидкости

g – ускорение свободного падения

h – глубина, на которой определяется давление.

Для иллюстрации этой формулы посмотрим на 3 сосуда разной формы.

Во всех трёх случаях давление жидкости на дно сосуда одинаково.

Полное давление жидкости в сосуде равно

P0 – давление на поверхности жидкости. В большинстве случаев принимается равным атмосферному.

Сила гидростатического давления

Выделим в жидкости, находящейся в равновесии, некоторый объем, затем рассечем его произвольной плоскостью АВ на две части и мысленно отбросим одну из этих частей, например верхнюю. При этом мы должны приложить к плоскости АВ силы, действие которых будет эквивалентно действию отброшенной верхней части объема на оставшуюся нижнюю его часть.

Рассмотрим в плоскости сечения АВ замкнутый контур площадью ΔF, включающий в себя некоторую произвольную точку a. Пусть на эту площадь воздействует сила ΔP.

Тогда гидростатическое давление формула которого выглядит как

представляет собой силу, действующую на единицу площади, будет называться средним гидростатическим давлением или средним напряжением гидростатического давления по площади ΔF.

Истинное давление в разных точках этой площади может быть разным: в одних точках оно может быть больше, в других – меньше среднего гидростатического давления. Очевидно, что в общем случае среднее давление Рср будет тем меньше отличаться от истинного давления в точке а, чем меньше будет площадь ΔF, и в пределе среднее давление совпадет с истинным давлением в точке а.

Для жидкостей, находящихся в равновесии, гидростатическое давление жидкости аналогично напряжению сжатия в твердых телах.

Единицей измерения давления в системе СИ является ньютон на квадратный метр (Н/м 2 ) – её называют паскалем (Па). Поскольку величина паскаля очень мала, часто применяют укрупненные единицы:

килоньютон на квадратный метр – 1кН/м 2 = 1*10 3 Н/м 2

меганьютон на квадратный метр – 1МН/м 2 = 1*10 6 Н/м 2

Давление равное 1*10 5 Н/м 2 называется баром (бар).

Между всеми этими единицами существует следующее соотношение:

1ат = 1 кгс/см 2 = 0,98 бар = 0,98 * 10 5 Па = 0,98 * 10 6 дин = 10 4 кгс/м 2

Следует помнить что между технической атмосферой (ат) и атмосферой физической (Ат) существует разница. 1 Ат = 1,033 кгс/см 2 и представляет собой нормальное давление на уровне моря. Атмосферное давление зависит от высоты расположения места над уровнем моря.

Измерение гидростатического давления

На практике применяют различные способы учета величины гидростатического давления. Если при определении гидростатического давления принимается во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, его называют полным или абсолютным. В этом случае величина давления обычно измеряется в технических атмосферах, называемых абсолютными (ата).

Часто при учете давления атмосферное давление на свободной поверхности не принимают во внимание, определяя так называемое избыточное гидростатическое давление, или манометрическое давление, т.е. давление сверх атмосферного.

Манометрическое давление определяют как разность между абсолютным давлением в жидкости и давлением атмосферным.

и измеряют также в технических атмосферах, называемых в этом случае избыточными.

Случается, что гидростатическое давление в жидкости оказывается меньше атмосферного. В этом случае говорят, что в жидкости имеется вакуум. Величина вакуума равняется разнице между атмосферным и и абсолютным давлением в жидкости

и измеряется в пределах от нуля до атмосферы.

Свойства гидростатического давления

Гидростатическое давление воды обладает двумя основными свойствами:
Оно направлено по внутренней нормали к площади, на которую действует;
Величина давления в данной точке не зависит от направления (т.е. от ориентированности в пространстве площадки, на которой находится точка).

Первое свойство является простым следствием того положения, что в покоящейся жидкости отсутствуют касательные и растягивающие усилия.

Предположим, что гидростатическое давление направлено не по нормали, т.е. не перпендикулярно, а под некоторым углом к площадке. Тогда его можно разложить на две составляющие – нормальную и касательную. Наличие касательной составляющей из-за отсутствия в покоящейся жидкости сил сопротивления сдвигающим усилиям неизбежно привело бы к движению жидкости вдоль площадки, т.е. нарушило бы её равновесие.

Поэтому единственным возможным направлением гидростатического давления является его направление по нормали к площадке.

Если предположить что гидростатическое давление направлено не по внутренней, а по внешней нормали, т.е. не внутрь рассматриваемого объекта а наружу от него, то вследствие того, что жидкость не оказывает сопротивления растягивающим усилиям – частицы жидкости пришли бы в движение и её равновесие было бы нарушено.

Следовательно, гидростатическое давление воды всегда направлено по внутренней нормали и представляет собой сжимающее давление.

Из этого же правило следует, что если измениться давление в какой-то точке, то на такую же величину измениться давление в любой другой точке этой жидкости. В этом заключается закон Паскаля, который формулируется следующим образом: Давление производимое на жидкость, передается внутри жидкости во все стороны с одинаковой силой.

На применение этого закона основываются действие машин, работающих под гидростатическим давлением.

Ещё одним фактором влияющим на величину давления является вязкость жидкости, которой до недавнего времени приято было пренебрегать. С появлением агрегатов работающих на высоком давлении вязкость пришлось так же учитывать. Оказалось, что при изменении давления, вязкость некоторых жидкостей, таких как масла, может изменяться в несколько раз. А это уже определяет возможность использовать такие жидкости в качестве рабочей среды.

Источник

Основные понятия о давлениях в скважине

Давление определяется как сила, действующая на единицу площади. Давление в любой точке скважины одинаково во всех направлениях.

Давление, P – Мпа; кгс/см.кв.

Гидростатическим давлением принято называть давление, определяемое весом столба раствора выше рассматриваемого сечения, приходящегося на единицу площади.

В наклонных скважинах глубина скважины H определяется как вертикальная составляющая длины ствола.

Гидравлические потери определяются как давление, которое необходимо создать, чтобы прокачать данный флюид с данной скоростью через данную систему. Гидравлические потери возникают только при прокачивании флюидов и суммируются со всеми другими давлениями, действующими в интересующей нас точке. Значение гидравлических потерь определяется по существующим методикам.

Гидравлические потери (сопротивление) Pr. c, Мпа; кгс/см.кв..

Избыточное давление (противодавление) есть давление, действующее на закрытую или открытую (в динамике) систему, определяемое иными, чем гидростатическое давление, источниками. В нашем случае избыточным давлением в закрытой при ГНВП скважине будет давление в бурильных трубах Pиз. т. и колонне Pиз. к. Избыточным давлением в динамических условиях будут гидравлические потери в дросселе +Pr. c.

Избыточное давление добавляется к давлению, действующему в рассматриваемой точке в статических и динамических условиях. Это положение является основополагающим в понимании методики глушения скважины.

Избыточное давление, Pиз – кгс/см.кв..

Избыточное давление в бурильных трубах – это давление на стоянке при закрытой скважине без циркуляции. Pиз. т. равно разнице между пластовым давлением Pпл и гидростатическим давлением столба бурового раствора в бурильных трубах.

Избыточное давление в бурильных трубах, Pиз. т. – кгс/см.кв..

Избыточное давление в обсадной колонне – это давление в затрубном (кольцевом) пространстве на устье закрытой скважины при отсутствии циркуляции. Pиз. к. равно разнице между пластовым давлением и общим гидростатическим давлением столба флюидов в затрубном пространстве.

Избыточное давление в обсадной колонне, Pиз. к. – кгс/см.кв.

Пластовое давление есть давление флюида в рассматриваемом пласте. Пластовое давление равно гидростатическому давлению столба бурового раствора в бурильных трубах плюс Риз. т. при закрытой скважине. Нормальным пластовым давлением считается давление равное гидростатическому давлению столба воды на глубине залегания пласта. Пластовое давление выше давления столба воды называется аномально высоким пластовым давлением. Пластовое давление ниже давления столба воды называется аномально низким пластовым давлением.

Пластовое давление, P пл – кгс/см.кв.

Забойное давление есть общее давление на забое скважины (или под долотом) в любых условиях. Рзаб=Рr+Pr. ск+Риз.

Рзаб. в зависимости от условий может быть равно пластовому давлению, больше или меньше его:
– в нормальных условиях бурения Рзаб>Рпл;
– при ГНВП , когда скважина закрыта, Рзаб=Рпл.

Забойное давление, Рзаб – кгс/см.кв.

Основным условием начала ГНВП является превышение пластового давления вскрытого горизонта над забойным давлением.

Забойное давление в скважине во всех случаях зависит от величины гидростатического давления бурового раствора заполняющего скважину и дополнительных репрессий вызванных проводимыми на скважине работами ( или простоями ).

ЕТПБ требуют, чтобы гидростатическое давление ( Р г ) превышало пластовое ( Р пл ) в следующих размерах:
для скважин с глубиной до 1200м Р=10-15% Р пл, но не более 1,5 МПа
для скважин с глубиной до 2500м Р=5-10% Р пл, но не более 2,5 Мпа
для скважин с глубиной свыше 2500м Р=4-7% Рпл, но не более 3,5 Мпа

При известном пластовом давлении горизонта необходимая плотность промывочной жидкости, на которой должен вскрываться этот горизонт определяют:

Определение забойных давлений ( Р заб )

Забойное давление при механическом бурении и промывке

Ргск – гидравлическое сопротивление кольцевого пространства.

Ориентировочно, для неглубоких скважин оно составляет :

Ргс – полное гидравлическое сопротивление без учета перепада давления на турбобуре.

При промывке скважины после спуска труб или длительных простоях без промывки забойное давление может снижаться за счет подъема по стволу газированных пачек бурового раствора и резкого увеличения их объема к устью.

Забойное давление после остановки циркуляции первое время равняется гидростатическому

Забойное давление при отсутствии циркуляции длительное время снижается за счет явлений седиментации, фильтрации, контракции, а так же температурных изменений бурового раствора на величину D Рст

При спуске каждой свечи бурильного инструмента под долото возникают знакопеременные гидродинамические давления. В начале спуска свечи с ростом скорости спуска нарастает и репрессия под долотом. После того, как скорость выровнялась – репрессия достигает максимума и остается постоянной до момента начала торможения. При резком торможении репрессия снижается до «О» и переходит в депрессию.
Величина репрессии + DРдс – определяют по формуле ( X ).
Величина депрессии – DРдс при скорости спуска меньшей Iм/с составляет 0,01qgL при скорости спуска большей I м/с.

DРдс = ( 0,02 – 0,05 ) rgL

Для того, чтобы не возникало ГНВП при наличии вскрытого продуктивного горизонта необходимо, чтобы во всех случаях забойное давление превышало пластовое Рзаб > Рпл.

Допустимое давление, – кгс/см. кв. Допустимое давление – это давление, при котором не происходит разрушения скелетной решетки пласта или поглощения бурового раствора . Обычно <Рr. p>>Pпл.

Основные принципы анализа давлений

Давлениями, которые мы можем регулировать и контролировать при промывке скважины во время ликвидации проявления, являются:
– гидростатическое давление – Рr;
– гидростатические потери – Pr. c;
– избыточное давление – Pиз.

Общее давление в любой точке скважины будет складываться из этих трех давлений Pобщ=Рr+Рr. c+Pиз, поэтому представляет интерес рассмотреть вопрос, как рассчитать каждое из этих давлений, а также четко уяснить, как и где эти давления будут способствовать или отрицательно влиять на процесс ликвидации проявлений.

Источник