Проектирование состава и качества бурового раствора
В курсовом проекте по дисциплине «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» вид раствора, его состав и такие параметры как фильтрация, СНС, содержание песка принимаются без обоснования и те, которые применялись на предприятии, где проходила производственная практика. Здесь рассчитывается только плотность раствора, необходимая для предотвращения проявлений. Правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности оговорено, что гидростатическое давление в скважине при глубине до 1200 м должно быть больше пластового на 10%, а при больших глубинах – 5%. Отсюда требуемая плотность раствора ρ может быть определена по формулам
,
(6.1)
при глубине до 1200 м,
,
(6.2)
при больших глубинах.
В этих формулах g – ускорение свободного падения; H – глубина скважины по вертикали; Pпл – пластовое давление.
Величина пластового давления берется из геологических материалов, собранных на производственной практике.
В проекте приводятся данные по параметрам бурового раствора для всех интервалов.
Выбор и обоснование типа забойного двигателя
Эта задача может иметь два решения: сначала выбирается гидравлический забойный двигатель, а затем проводится поверочный расчет возможности его применения, или определяются требуемые энергетические характеристики, и по ним производится выбор двигателя из тех, которые выпускаются промышленностью.
При выборе двигателя прежде всего определяется его оптимальный наружный диаметр D из соотношения D = (0,84 – 0,92) Dс. Далее определяется требуемый удельный момент m на долоте, характеризующий функциональную связь между крутящим моментом М на долоте и осевой нагрузкой G на породоразрушающий инструмент, т.е.
М = m · G. (7.1)
Величина удельного момента зависит от типа долота, его диаметра, физико-механических свойств горных пород и ориентировочно может быть принята в соответствии с табл. 7.1. При этом большие значения берутся для долот большого диаметра и в пластичных породах.
Таблица 7.1. Значения удельных моментов на долоте
Регион |
Тип долота |
Удельный момент, кН·м |
Западная Сибирь |
Трехшарошечное |
0,010-0,013 |
АТП |
0,040-0,050 |
|
Урало-Поволжье |
Трехшарошечное |
0,004-0,008 |
Республика Коми |
Алмазное |
0,016-0,045 |
АТП |
0,030-0,045 |
В процессе бурения должен быть обеспечен рабочий (экстремальный) режим двигателя, соответствующий максимуму его мощности, что учитывается коэффициентом запаса крутящего момента Км. Этот коэффициент определяет тормозной момент Мт, т.е.
Мт = kм · m · G. (7.2)
Для быстроходных забойных двигателей с частотой вращения более 300 об/мин kм = 2,0 – 2,5, для низкооборотных винтовых забойных двигателей kм = 2,5 – 3,0.
Величина осевой нагрузки G в формуле (7.2) принимается в соответствии с проведенными ранее расчетами (раздел 4).
По рассчитываемому моменту и с учетом конкретных условий бурения выбирается забойный двигатель. В пояснительной записке приводятся обоснования по выбору забойных двигателей, их преимущества перед другими, и краткие технические характеристики.
Технические характеристики некоторых выпускаемых отечественной промышленностью гидравлических забойных двигателей приведены в табл. 7.2., 7.3.
Одним из недостатков турбобура как двигателя является высокая частота вращения выходного вала при относительно низком моменте. Улучшить технические характеристики турбобура можно за счет применения редукторных вставок. Такой забойный двигатель состоит из турбинных секций, редуктора и шпинделя. Сам редуктор выполняется в отдельном корпусе с зубчатой планетарной передачей и, как правило, маслонаполнен. В компоновке забойного двигателя редукторов может быть несколько. Наиболее распространен редукторный турбобур ТРМ – 195 с редуктором РМ – 195. Этот редуктор может использоваться с серийными турбинными секциями и шпинделем, и применялся при бурении Кольской сверхглубокой скважины.
Таблица 7.2. Технические характеристики турбобуров
Показатель |
Т12М3Б-240 |
Т12РТ-240 |
ЗТСШ-172 |
ЗТСШ-195 |
ЗТСШ-195ТЛ |
ЗТСШ1-172 |
ЗТСШ1-195 |
А6Ш |
А7Ш |
А9Ш |
А6ГТШ |
А7ГТШ |
А9ГТШ |
Наружный диаметр корпуса, мм |
240 |
240 |
172 |
195 |
195 |
172 |
195 |
164 |
195 |
240 |
164 |
195 |
240 |
Длина, мм |
8180 |
8210 |
25270 |
23550 |
26110 |
25400 |
25700 |
16800 |
17600 |
16550 |
24430 |
24950 |
23290 |
Масса, кг, не более |
2030 |
2017 |
5885 |
4470 |
4410 |
3530 |
4740 |
2065 |
3135 |
4405 |
2908 |
4422 |
6155 |
Общее число секций |
1 |
1 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
Продолжение табл. 7.2.
Показатель |
Т12М3Б-240 |
Т12РТ-240 |
ЗТСШ-172 |
ЗТСШ-195 |
ЗТСШ-195ТЛ |
ЗТСШ1-172 |
ЗТСШ1-195 |
А6Ш |
А7Ш |
А9Ш |
А6ГТШ |
А7ГТШ |
А9ГТШ |
В том числе: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- турбинных |
1 |
1 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
- с турбинами и решетками гидродинамического торможения |
-
|
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- шпиндельных |
- |
- |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Число ступеней в турбобуре: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- турбин |
104 |
104 |
327 |
285 |
327 |
336 |
306 |
212 |
232 |
210 |
252 |
232 |
210 |
- решеток гидродинамического торможения |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
146 |
130 |
Присоединительная резьба (ГОСТ 5286): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- к бурильной колонне |
З-171 |
З-189 |
З-121 |
З-147 |
З-147 |
З-121 |
З-147 |
З-121 |
З-147 |
З-171 |
З-121 |
З-147 |
З-171 |
- к долоту |
З-152 |
З-171 |
З-121 |
З-121 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-152 |
З-117 |
З-117 |
З-152 |
Расход жидкости (воды), л/с |
50-55 |
50-55 |
18-20 |
22-24 |
40-45 |
20-25 |
30-35 |
20-25 |
30 |
45 |
20 |
30 |
45 |
Момент силы на выходном валу, Н·м: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- на тормозном режиме |
4000-4800 |
4000-5100 |
1760-2180 |
2600-3100 |
3600-4600 |
2000-3200 |
2600-3600 |
1360-2160 |
3800 |
6200 |
1710 |
3800 |
6200 |
- на рабочем режиме |
2000-2400 |
2000-2550 |
880-1090 |
1300-1550 |
1800-2300 |
1000-1600 |
1300-1800 |
680-1200 |
1900 |
3100 |
1020 |
1900 |
3100 |
Частота вращения выходного вала, об/мин: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- в режиме холостого хода |
1320-1450 |
1320-1530 |
900-1000 |
970-1060 |
690-780 |
1010-1260 |
800-935 |
1060-1330 |
1200 |
1100 |
- |
- |
- |
В рабочем режиме |
660-725 |
660-760 |
690-740 |
725-770 |
350-390 |
500-630 |
400-480 |
485-550 |
520 |
420 |
325 |
300 |
235 |
Перепад давления, МПа: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- в режиме холостого хода |
4,0 |
3,8 |
4,3 |
5,0 |
3,0 |
6,0 |
3,5 |
5,5 |
8,2 |
6,8 |
4,7 |
7,2 |
5,8 |
- в рабочем режиме |
4,5 |
5,4 |
5,4 |
6,0 |
4,0 |
9,5 |
5,0 |
4,3 |
- |
- |
- |
- |
- |
Таблица 7.3. Технические характеристики винтовых забойных двигателей
Наименование показателей |
D4-195 |
D2-195 |
DУ-195 |
DЗM-195 |
D1-240 |
D1-176 |
D2-176 |
D5М-176 |
D1-172 |
DЗМ-172 |
D5-172 |
Диаметр корпуса наружный, мм |
|
195 |
|
|
240 |
|
176 |
|
|
172 |
|
Длина, мм: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- двигателя без клапана |
6200 |
6200 |
6600 |
6790 |
6930 |
5600 |
5600 |
6750 |
5600 |
6235 |
5600 |
- шпинделя до искривления |
- |
- |
3245 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Продолжение табл. 7.3.
Наименование показателей |
D4-195 |
D2-195 |
DУ-195 |
DЗM-195 |
D1-240 |
D1-176 |
D2-176 |
D5М-176 |
D1-172 |
DЗМ-172 |
D5-172 |
- активной части статора |
1800 |
1800 |
1800 |
2400 |
3000 |
1800 |
1800 |
2900 |
1800 |
2400 |
1800 |
Присоединительные резьбы по ГОСТ 5286: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- к долоту |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-152 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
З-117 |
- к бурильным трубам |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
З-171 |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
З-147 |
Диаметры применяемых долот, мм |
215,9-244,5 |
215,9-224,5 |
215,9-244,5 |
215,9-244,5 |
269,9 |
190,5-215,9 |
190,5-215,9 |
190,5-215,9 |
190,5-215,9 |
190,5-215,9 |
190,5-215,9 |
Расход бурового раствора, м3/с |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,030-0,050 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
0,025-0,035 |
Момент силы на выходном валу, кН·м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- на тормозном режиме |
4,7-5,6 |
7,6-10,0 |
7,6-10,0 |
9,6-12,4 |
12,0-18,0 |
4,7-5,6 |
6,0-8,0 |
10,0-14,0 |
4,7-5,6 |
9,6-12,4 |
6,0-8,0 |
- на рабочем максимальном |
3,8-4,5 |
5,2-7,0 |
5,2-7,0 |
7,7-9,9 |
10,0-14,0 |
3,8-4,5 |
4,5-6,0 |
9,0-12,0 |
3,8-4,5 |
7,7-9,9 |
4,5-6,0 |
Частота вращения выходного вала, с-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- на режиме холостого хода |
4,6-5,4 |
1,9-2,5 |
1,9-2,5 |
1,9-2,5 |
1,5-2,5 |
4,6-5,4 |
1,9-2,5 |
4,2-5,1 |
4,6-5,4 |
1,9-2,5 |
1,9-2,5 |
- на рабочем режиме |
3,7-4,3 |
1,5-1,9 |
1,5-1,9 |
1,4-1,9 |
1,2-2,2 |
3,7-4,3 |
1,3-1,8 |
3,4-4,0 |
3,7-4,3 |
1,4-1,9 |
1,3-1,8 |
Перепад давлений, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- на режиме холостого хода |
1,6-1,8 |
1,2-1,8 |
1,2-1,8 |
1,6-2,5 |
1,5-3,0 |
1,6-1,8 |
1,5-2,0 |
2,4-3,4 |
1,6-1,8 |
1,6-2,5 |
1,5-2,0 |
- на рабочем режиме |
6,3-7,2 |
4,3-6,7 |
4,3-6,7 |
6,5-9,8 |
6,0-8,0 |
6,3-7,2 |
4,5-7,0 |
9,0-13,0 |
6,3-7,2 |
6,5-9,8 |
4,5-7,0 |
- на тормозном режиме |
9,5-10,8 |
7,3-10,0 |
7,3-10,0 |
9,8-14,7 |
8,0-12,0 |
9,5-10,8 |
7,0-9,0 |
13,2-20,0 |
9,5-10,8 |
9,8-14,7 |
7,0-9,0 |
Допустимая осевая нагрузка, кН, не более |
250 |
250 |
250 |
250 |
250 |
300 |
200 |
200 |
200 |
200 |
200 |
Масса, кг |
1050 |
1020 |
117 |
1160 |
1560 |
700 |
755 |
930 |
707 |
780 |
710 |
Таблица 7.4. Техническая характеристика редукторного турбобура ТРМ – 195
Наружный диаметр корпуса, мм |
195 |
Длина, мм |
25105 |
Масса, кг |
4620 |
Рекомендуемый диаметр долота, мм |
215,9-269,9 |
Передаточное число редуктора |
3,69 |
Турбинные секции: |
|
- тип |
ЗТСШ1-195 |
- число ступеней турбины |
204 |
Расход бурового раствора (воды), л/с |
26-34 |
Момент силы на выходном валу редуктора, кН·м: |
1,5-2,5 |
Максимальная мощность, кВт |
22-50 |
Перепад давления в турбобуре, МПа |
2,8-4,9 |
Присоединительная резьба по ГОСТ 28487: |
|
к трубам |
З-147 |
к долоту |
З-117 |