Các chủng loại ống dùng trong giếng bơm ép:
- Ống không chồn đầu (ống phẳng) – NU(non upset): đường kính ngồi dọc ống như nhau (trừ phần cơn đầu ống tiện ren). Các đoạn ống nối với nhau qua măng
xơng. Ren nối có dạng profile tam giác.
Ống khơng chồn đầu có yêu điểm là giá thành thấp vì khơng phải gia cơng
chồn đầu, nhưng khả năng chịu kéo không cao, nên chỉ được dùng cho các giếng
Hình 2.1. Mối nối ống không chồn –NU
- Ống chồn đầu: Đối với loại ống này, phần đầu ống được chồn dày theo kích thước tiêu chuẩn, các đoạn ống nối với nhau theo hai kiểu: trực tiếp và bằng măng
xông. Giữa các ống khác nhau về đường kính được nối với nhau qua đoạn ống
chuyển tiếp.
+Dạng ống chồn nối trực tiếp – EU: Phần đầu ống tiện ren ngồi được chồn
dày vào phía trong, nghĩa là đường kính trong ở phần chồn bị nhỏ lại. Phần đầu ống tiện ren trong được chồn tương ứng với kích thước của ren ngồi đầu ống để ghép
nối được với nhau theo tiêu chuẩn API 5CT. Mối nối trực tiếp tuy tiết kiệm được măng xông nhưng khi chế tạo phải gia công chồn đầu ống nên giá thành tăng. Ống chồn nối trực tiếp – EU thường bị phát sinh vết nứt ở phần chuyển tiếp đầu chồn, chịu uốn kém. Do kết cấu mối nối trực tiếp có tiết diện lưu thơng đột thu ở tiết diện phần chồn đầu ống ren ngoài, đột mở qua mối nối, nên dịng nước bơm ép tạo xốy khi qua mối nối gây xói mịn cục bộ bề dày phần ống gần mối nối.
Hình 2.2. Mối nối ống chồn trực tiếp
nhau bằng măng xông và khi thay đổi cấp đường kính thì được nối thơng qua đoạn chuyển tiếp. Ống chồn nối bằng măng xông - EUE tuy giá thành chế tạo cao hơn ống nối chồn trực tiếp EU (vì phải chế tạo măng xơng), nhưng chịu được lực kéo,
lực uốn lớn hơn.
- Ống nối Newvam: Cơ cấu làm kín của ren vam là chỗ tiếp xúc được vát hình cơn, làm kín bằng vai đỡ vát góc. Mối nối ren Newvam có kết cấu đơn giản, hiệu
quả làm kín cao, chịu lực kéo và kực uốn lớn, an toàn và đáng tin cậy hơn so với các loại ren khác, tuy nhiên giá thành chế tạo ren cao hơn so với các loại ren khác.[16],[17],[23].
Hình 2.3. Mối nối ống chồn- EUE
v
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc cột ống và thiết bị lòng giếng
Đường ống bơm ép nước từ miệng giếng đến đáy giếng là các đoạn ống dài
9,5m có đường kính D = 114mm, D = 89mm và D = 73mm được nối với nhau bằng mối nối ren (Xem hình 2.1, 2.2, 2.3, 2.4). Tại miệng giếng, đường ống bơm ép được nối với thiết bị miệng giếng (Xem hình 2.5); cịn tại khu vực đáy giếng đường ống bơm ép được nối với thiết bị lòng giếng (Xem hình 2.6) [29].
2.2. Lý thuyết xói mịn bề mặt 2.2.1. Cơ chế xói mịn chung
Ống chống Van an toàn Ống bơm ép Ống bơm ép Mandrel Van dập giếng Ống bơm ép
Van tuần hoàn
Thiết bị bù trừ giãn nở nhiệt Van cắt Thiết bị chèn cách ly Ống đục lỗ Thiết bị định vị Phễu định hướng
Xói mịn là q trình cơ học, đó là sự tách ra và trơi đi của các thể tích vật liệu bề mặt mịn do tác động của mơi trường tiếp xúc là dịng chất lỏng, khí hoặc dịng hỗn hợp. Tác động xói mịn là sự tổng hợp của ma sát dòng liên tục và va đập lên bề mặt. Sự phá huỷ mòn kim loại do tác động của dịng điện tích cũng được gọi là xói mịn.
Phân loại xói mịn: Xói mịn khí, xói mịn xốy (Cavitation ), xói mịn hạt mài – thuỷ lực và xói mịn khí – hạt mài v.v… Tuỳ theo tính chất vật liệu có thể xảy ra việc tách các chất riêng lẽ hoặc nhóm hạt. Xói mịn bắt đầu từ các vết nứt, xước tế vi và ở giai đoạn đầu phát triển rất chậm trên bề mặt nhẵn, nhưng sau khi xuất hiện khu vực phá huỷ, xói mịn tăng mạnh. Điều đó có thể giải thích do tăng độ giịn của lớp bề mặt bị tổn thương, có liên quan tới sự tích luỹ các vết nứt tế vi, xuất hiện bởi tác dụng chêm của chất lỏng và sự gia tăng tác dụng va đập do hình thành xốy lớn trên bề mặt.
Khái niệm xói mịn tương ứng với khơng chỉ một dạng hoặc một cơ chế mòn; tuỳ theo điều kiện xảy ra q trình mịn và tổ hợp tính chất mơi trường tiếp xúc, vật liệu của bề mặt mịn có thể có các dạng xói mịn khác nhau :
- Trong dịng chất lỏng khơng có hạt mài và khơng có xốy: Ở đây hiện tượng mịn là kết quả phá huỷ cơ học bởi dòng chất lỏng đối với bề mặt của kim loại, hình thành khi tương tác giữa kim loại và chất lỏng, với oxy hoà tan trong chất lỏng hoặc thành phần hoạt tính khác. Xói mịn trường hợp này thuộc về dạng mịn cơ học oxy hố.
- Trong dịng chất lỏng khơng có xốy, có hạt mài: dạng mịn hạt mài-thuỷ lực và tuỳ theo điều kiện của mơi trường tiếp xúc có thể là thuần tuý mòn cơ học hoặc mòn cơ học oxy hố.
- Trong dịng chất lỏng có xốy, khơng có hạt mài: sự phá huỷ của kim loại mang tính chất bộ phận, ở đây hiện tượng mịn là kết quả phá huỷ cơ học hoặc nếu có ảnh hưởng hoạt tính của mơi trường thuộc về nhóm mịn cơ học oxy hố.
- Trong dịng chất lỏng có xốy và hạt mài: tuỳ theo điều kiện xói mịn có thể chủ yếu là mịn xốy hoặc là mịn hạt mài thuỷ lực.
- Trong dịng khí có hạt mài, ở đây có thể có những trường hợp sau :
+ Mơi trường khí có tương tác với kim loại: q trình xói mịn cơ học oxy hố. - Khi tổ hợp nhiều dạng mòn đồng thời xuất hiện đối với bề mặt mòn tiếp xúc với một mơi trường nhất định thì dạng mịn xảy ra với tốc độ lớn nhất là dạng mòn chủ đạo. Trong dịng chất lỏng, nếu khơng có khí và hạt mài (có thể có thành phần hoạt tính nhưng tương tác khơng đáng kể) thì dạng xói mịn chủ đạo trong trường hợp này là xói mịn cơ học .
- Trong một số điều kiện nhất định, với trạng thái đặc biệt, sẽ xảy ra tổ hợp
của hai loại mòn khác nhau. Điều này dẫn đến xuất hiện một hiện tượng mới (một dạng mòn mới) [9[, [15],[27].
2. 2. 2. Những nghiên cứu về xói mịn
Bề mặt bị xói mịn do tiếp xúc với dịng hỗn hợp theo hướng song song hoặc lệch góc α (gọi là góc tới).
Hình 2.7. Mơ phỏng xói mịn bề mặt do tiếp xúc với dòng chảy
-Theo J.A.Williams và Irina Hussaihova thì quan hệ giữa lượng mòn và các thơng số ảnh hưởng có dạng:
+Khi dịng song song với bề mặt mòn:
V = kvoⁿ (2.1)
+Khi dịng lệch góc α với bề mặt mịn:
V = kvoⁿ . f(α) (2.2)
Trong đó:
k: hệ số phụ thuộc vào đặc tính vật liệu.
n: chỉ số bậc, theo thực nghiệm có giá trị từ 2 – 4. vo: vận tốc dòng hỗn hợp, (m/s).
f(α): phụ thuộc vào góc tới, xác định bằng thực nghiệm.
Từ các biểu thức (2.1), (2.2) suy ra: lượng mòn phụ thuộc và tỷ lệ thuận với voⁿ, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, nhiệt độ và góc tới.
- Theo I.V.Kragelski, I.K.Lebedev và V.N.Bratchicov thì xói mịn bề mặt là một dạng mòn phổ biến của bề mặt khi tiếp xúc với mơi trường là dịng hỗn hợp. Quan hệ giữa lượng mịn và các thơng số ảnh hưởng được biểu diễn dưới dạng :
V=f(1-k)vo² sin²αo (ctgαo – fk)/2g Pזεⁿ (2.3) Trong đó: V: thể tích vật liệu bị xói mịn; αo: góc tới . vo: tốc độ dịng. g: gia tốc trọng trường. f: hệ số ma sát.
k: hệ số phục hồi (được tính theo Newton). Pז: áp suất trung bình biến dạng chảy của vật liệu.
ε: hệ số phoi mỏng.
n: hằng số được xác định bằng thực nghiệm. - Finnie đề nghị cơng thức tính mịn như sau :
V = vo² (sin2αo - 3sin² αo )/ 8gδty, khi αo ≤ 18,5° (2.4) V = vo² cosαo / 8gδty, khi αo >18,5° (2.5)
Ở đây: δty - giới hạn ứng suất chảy, (MPa).
Lý thuyết này dự báo lượng mòn tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ dịng
chảy. Những nghiên cứu rộng hơn cho thấy V ~ voⁿ với n > 2 (từ 2,05 đến 2,44; có
khi n = 6,5).
Những nghiên cứu về sự phụ thuộc của mịn xói mịn với tốc dộ dòng khác nhau đã chỉ ra số mũ n là hằng số trong vùng tốc độ giới hạn; ngoài giới hạn này, chỉ số n có thể biến động theo bất kỳ chiều nào.
Theo công thức trên lượng mòn V = 0 khi αo = 0° hoặc 90° là mâu thuẫn với số liệu thực nghiệm.
- Theo T.G.Bitter, K.Wellinger (được thí nghiệm của I.R.Klayx khẳng định) thì xói mịn được xem là tổ hợp của hai dạng mòn: biến dạng và cắt. Tính năng vật
liệu ảnh huởng mạnh tới mối quan hệ giữa mòn với vận tốc dòng chảy và góc tới.
Đối với vật liệu dẻo thành phần mòn biến dạng thường nhỏ và quan sát thấy mịn
cực đại trong vùng góc tới nhỏ; ngược lại, đối với vật liệu giịn ta có quan hệ giữa
mịn và góc tới là tăng đều và đạt cực đại ở αo = 90° .
- E.F.Nepomniatsi đã khảo sát trường hợp xói mịn phát sinh khơng phải do cắt tế vi mà do mỏi ma sát. Khi hạt tương tác đàn hồi đối với bề mặt, mỏi của lớp bề mặt có bản chất gần với vật liệu bền thường và khi có tương tác dẻo, lớp bề mặt có mỏi chu kỳ nhỏ. Tính tốn được tiến hành cho trường hợp các hạt hình cầu với kích thước và mật độ như nhau, dịng hạt có góc tới αo so với bề mặt mòn, tốc độ chuyển
động của các hạt là như nhau – vo và sự va đập lần thứ hai của hạt lên bề mặt coi như khơng thể xảy ra. Ngồi ra, mối tương tác giữa mỗi hạt với bề mặt không ảnh
hưởng đến các hạt lân cận. Khi gặp bề mặt phá huỷ dưới góc tới αo, hạt thâm nhập vào bề mặt và trượt một quãng đường ma sát.
Trong trường hợp này cường độ xói mịn đựơc xác định:
Ixói mịn = 3Vρs/4πR² ρrq (2.6)
Trong đó:
V: lượng mịn.
ρs và ρr: khối lượng riêng vật liệu mòn và hạt mài;
R: bán kính hạt
q: số lượng hạt tạo mòn.
Những nghiên cứu cường độ mòn khi tiếp xúc đàn hồi và khi tiếp xúc dẻo đã tìm được mối quan hệ giữa cường độ xói mịn và vận tốc, góc tới, hệ số ma sát, đặc tính của vật liệu bề mặt mòn và hạt:
- Khi tiếp xúc đàn hồi : Ixói mịn tỷ lệ với vo mũ 2+2/5*t (2.7) - Khi tiếp xúc dẻo : Ixói mịn tỷ lệ với vo mũ 2+(t+1)/2 (2.8) Với t là hệ số mỏi ma sát đối với dạng phá huỷ.
Như vậy, ảnh hưởng của vo lớn hơn qui luật bình phương và phù hợp với số
liệu thực nghiệm.
Lý thuyết cũng dự báo xói mịn ở đây khơng phụ thuộc vào kích thước của hạt. Tuy nhiên, kết luận này chỉ phù hợp với kích thước hạt đạt từ một trị số nào đó trở lên thì kích thước hạt sẽ khơng ảnh hưởng tới cường độ mịn. Tăng ma sát dẫn đến
tăng mãnh liệt mòn. Cải thiện tính năng bền và mỏi (t, σ0, e0 ) sẽ làm tăng tính chống xói mịn. Tăng module đàn hồi dẫn tới tăng mịn khi σ0 = const (tiếp xúc đàn hồi) và tăng độ cứng vật liệu σt dẫn tới giảm mòn (tiếp xúc dẻo). Góc tới ảnh hưởng mịn theo qui luật Ixói mịn tỷ lệ với ((sinαo)2+2t/5)*A(α) khi tiếp xúc đàn hồi và Ixóimịn tỷ lệ với ((sinαo)2(t+5)/2)*A(α) khi tiếp xúc dẻo. Khi αo = 0 và αo = 90° thì Ixói mịn =0
αo = αmax độ xói mịn là cực đại.
Công thức lý thuyết về góc tới, tương ứng mòn cực đại cho điều kiện ftgαo
<1/3 được hiển thị ở hình sau :
10 20 30 40 50 60 70 αo
Hình 2.8. Sự phụ thuộc lý thuyết giữa xói mịn và góc tới Ixm.102 3 2 1 0,3 0,2 0,1 1 2 3 4 5 6 Ixm.102 3 2 1 0,1 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1
(1) & (2) –Xói mịn khi tiếp xúc đàn hồi (1): t=4; (2): t=3;
(3) – Cắt tế vi khi tiếp xúc đàn hồi (4) – Xói mịn khi tiếp xúc dẻo (5) & (6) – Cắt tế vi khi tiếp xúc dẻo (5):f=0,1; (6): f=0,4
Sự phụ thuộc giữa góc tới lớn nhất và hệ số xói mịn f được thể hiện ở hình
2.9.
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của góc tới lớn nhất và hệ số xói mịn f
- Theo S.P.Turchaninov, lượng xói mịn đường ống phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy v được biểu diễn theo phương trình sau :
∆ = a*v+bv (2.9)
Trong đó:
a là hệ số xác định bằng thực nghiệm, đó chính là tang của góc đường
xiên thực nghiệm lượng mịn đường ống và trục hồnh
bv là hằng số không đổi ứng với từng điều kiện thực nghiệm.
Cũng theo S.P.Turchaninov, lượng xói mịn đường ống khi vận tốc dòng thay
đổi từ v1 sang vận tốc v2 được biểu diễn theo phương trình sau:
∆v2 = v2/v1(∆v1 – bv ) + bv (2.10) Trong đó: ∆v2 và ∆v1 là lượng mịn đường ống tương ứng với vận tốc v2 và v1, và phương trình này cũng chỉ đúng khi các thơng số khác khơng được thay đổi.
Theo S.P.Turchaninov, độ xói mịn cũng chịu ảnh hưởng của đường kính ống. Bằng nghiên cứu thực nghiệm với các loại ống có đường kính từ 50mm đến
300mm, S.P.Turchaninov và nhiều tác giả khác đã kết luận là với các điều kiện
ngoại biên như nhau, độ xói mịn giảm tuyến tính với đường kính ống tăng từ 50mm 4 3 2 1 0 20 40 60 αo max 1 f 0,5 1. t = 2,5 2. t = 5 3. t = 10 4. tgαo = 1/2
Hình 2.10. Mối quan hệ giữa ∆ = f(v) (Điều kiện thực nghệm đường ống thép D=150mm)
Hình 2.11. Mối quan hệ giữa ∆ = f(D) đối với đường kính ống từ 50mm đến 200mm (1- ống đồng ; 2-ống thép) ∆.10 -11, m/s 300 200 100 0 50 75 100 125 150 175 D (mm)
Đường cong thực nghiệm Đường cong tính tốn Vùng chưa thực nghiệm nngnghiệm nghiệm 1 2 0 500 -75 -100 300 400 200 100 600 ∆.10 -11, m/s 1 2 3 1,14 4 5 6 v, m/s 1,47 1,274 γπ = 1,345 1,45 γπ = 1,25 1,095 1,02 1,04 3 1,049 1,201 2
Hình 2. 12. Mối quan hệ giữa ∆ = f(v)
(Điều kiện thực nghệm đường ống thép (•) và ống đồng (o) D=75mm)
đến 115mm. Trong khoảng đường kính ống từ 120 mm đến 150 mm thì độ xói mịn
là cực tiểu. Với đường kính ống từ 150 mm đến 200 mm thì độ xói mịn tăng tuyến tính với đường kính ống [27].
2.3. Các đặc trưng chuyển động của dòng bơm ép trong đường ống 2.3.1. Chuyển động của dòng bơm ép qua mối nối NU, EUE 2.3.1. Chuyển động của dòng bơm ép qua mối nối NU, EUE
Chuyển động của dòng bơm ép qua mối nối NU, EUE giữa các đoạn ống được mơ tả hình 2.4
Do tiết diện lưu thơng của mối nối thay đổi (đột mở,đột thu) nên vận tốc dòng chảy giảm rồi tăng đột ngột, hướng dòng chảy cũng thay đổi. Tổn thất áp suất tại
γπ = 1,06 0 500 300 400 200 100 600 -20 -100 -200 -210 -300 γπ = 1,40 ∆.10 -11, m/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 II 1,1 6 1,22 1,16 v, m/s
Hình 2.13. Mơ tả chuyển động của dòng bơm ép qua mối nối
mối nối được xác định:
-Theo Bocđơ, tổn thất áp suất đột mở:
h m.đ.n = ζ m.đ.n * v2²/2g (2.11)
Với ζ m.đ.n = (F2/F1 – 1)²
-Theo N.E.Giucopski, tổn thất áp suất đột thu :
h t.đ.n = ζ t.đ.n * v3²/2g (2.12)
Với ζ t.đ.n = (1 / ε – 1)² ;ε = 0,57 +0,043 /(1,1-n); n = F2/F3
Trong đó: v1, v2, v3 là vận tốc của dòng vào, đột mở, đột thu tại mối nối; có thể coi
v1 = v3 ; F1, F2 và F3 là các diện tích trước, sau đột mở và đột thu [16].
Áp dụng công các thức này, cho phép xác định được áp suất và vận tốc dịng chảy sau mối nối. Từ lý thuyết xói mịn bề mặt suy ra xói mịn ống tăng lên qua mối nối có cấu trúc nói trên.
2.3.2. Chuyển động của dòng chảy qua chỗ uốn trong đường ống bơm ép
Đường ống bơm ép bị uốn theo thân giếng khoan nên dịng bơm ép đổi hướng
và có áp suất tổ hao qua các chỗ uốn.
Theo A.D.Ansun tổn thất áp suất uốn dịng được tính theo cơng thức:
hu = ζ α * vu²/2g (2.13)