2.3.2 Расчет осевой нагрузки

Осевая нагрузка на долото является одним из важнейших параметров бурения. Она обеспечивает объемное разрушение горной породы, влияет на механическую скорость бурения и проходку на долото. Любое изменение осевой нагрузки приводит к изменению показателей работы долота. Для расчета осевой нагрузки используется формула:

G _ос =g*Д_д (2.11)

где g-удельная осевая нагрузка для соответствующих пород, гс/см;

Д_д- диаметр долота, см. Для пород типа:

МС g==300-470 кгс/см;

СЗ g=470-750 кгс/см;

ТКЗ g=750-1000 кгс/см.

При этом расчетное значение осевой нагрузки в любом случае не должно превышать 80% от предельно допустимой нагрузки на долото:

G_ос=0,8*G_пред, (2.12)

где G_пред - предельная нагрузка на долото, кгс, - из источника/1 /;

Рассчитаем осевую и предельную нагрузки на долота:

G_ос1 =300*29,53= 8859 кгс;

G_ос2 =470*29,53= 13879 кгс;

G_пред=0,8*40000= 32000кгс.

Исходя из расчетов, принимаем осевую нагрузку при бурении под кондук-тор 13,8тс.

Рассчитаем осевую нагрузку на долото при бурении под эксплуатационную колонну для СЗ пород:

G_ос= 470*21,59 = 10147 кгс;

G_ос = 750*21,59 = 16192 кгс;

G_пред =0,8*25000 =20000 кгс.

Принимаем осевую нагрузку 16,1 тс.

Рассчитаем осевую нагрузку на долото при бурении пород типа ТЗ:

G_ос =750*21,59 = 16192 кгс:

G_ос = 1000*21,59 = 21590 кгс;

С_пред=0,8*25000 = 20000 кгс.

Так как расчетное значение осевой нагрузки не должно превышать 80% от предельно допустимой нагрузки на долото, то принятая осевая нагрузка будет равна 16,1 тс.

2.3.3 Определение частоты вращения долота

Каждому типу пород соответствуют свои критические скорости вращения долота, превышение которых вызывает снижение механической скорости проходки. Такие превышения частоты вращения долота снижают долговечность их работы, из-за более интенсивного износа опор и сокращает проходку на рейс долота. Оптимальная частота вращения долот, типа МС, находится в диапазоне 150-300 об/мин, типа СЗ - 100-200 об/мин, типа ТКЗ – 100 об/мин. Расчет частоты оборотов ведется по износу опор или по предельной окружной скорости. Производим расчет по второму методу:

n=(60*V_л)/(π *Д_д), (2.13)

где V_л- рекомендуемая линейная скорость на периферии долота, для пород МС-2,8м/с; для С3-1,3м/с; для ТКЗ-1м/с;

Д_д- диаметр долота, м.

При бурении под кондуктор:

n=(60*2,8)/(3,14*0,2953)=181 об/мин;

При бурении под эксплуатационную колонну:

n₂=(60* 1,3)7(3,14*,02159)=115 об/мин;

n₃=(60* 1 )/(3,14*0_;2159)= 89 об/мин.

Результаты частоты вращения долот заносим в таблицу 2.4.

Таблица 2.4. Частота вращения долот.

Интервалы бурения	0-750	750-2460	2460-2548
Диаметр долота, мм	295,3	215,9	215,9
Частота вращения об/мин.	181	115	89

2.3.4 Расчет расхода очистного агента

Промывочная жидкость должна обеспечивать своевременную и качественную очистку забоя и транспортировку шлама на поверхность по затрубному пространству скважины.

Для каждого конкретного случая существует определённое значение расхода промывочной жидкости, кроме того, она является носителем энергии при использовании гидравлических забойных двигателей и буровых долот с гидромониторным эффектом. Таким образом, необходимо чтобы выбранный расход бурового раствора обеспечивал следующие функции:

• очистка забоя скважины от выбуренной породы;

• удаление продуктов разрушения по затрубному пространству;

• нормальную работу гидравлического забойного двигателя;

• гидромониторный эффект при бурении долотами с гидромониторными насадками.

1. Рассчитывается расход промывочной жидкости по интенсивности очистки забоя скважины.

Q = k ∙ S_заб, л/с (2.14)

где k – коэффициент удельного расхода жидкости (0,03 ÷ 0,065 л/с);

S_заб – площадь забоя скважины, см².

Площадь забоя скважины рассчитывается по формуле:

S_заб = 0,785 ∙ D_д², см² (2.15)

В интервале бурения под кондуктор площадь забоя скважины рассчитывается по формуле (11):

S_заб = 0,785 ∙ 29,53² = 684,53 см².

Расход промывочной жидкости на данном интервале бурения определяется по формуле (2.14):

Q = 0,065 ∙ 684,53 = 44,5 л/с.

В интервале бурения под эксплуатационную колонну площадь забоя скважины рассчитывается по формуле (2.14):

S_заб = 0,785 ∙ 21,59² = 365,91 см².

Расход промывочной жидкости на данном интервале бурения определяется по формуле (2.14):

Q = 0,065 ∙ 365,91 = 23,8 л/с.

2. Рассчитывается расход промывочной жидкости по скорости восходящего потока.

Q = V_В ∙ S_К.П. ∙10³, л/с (2.16)

где V_В – скорость восходящего потока, м/с;

S_К.П. – площадь кольцевого пространства, м².

Площадь кольцевого пространства рассчитывается по формуле:

S_К.П. = 0,785 ∙ (D_д² – d_Б.Т.²), (2.17)

В интервале бурения под кондуктор принимается: d_Б.Т. = 0,127 м, V_В = 0,9 м/с, тогда площадь кольцевого пространства рассчитывается по формуле (2.17):

S_К.П. = 0,785 ∙ (0,2953² – 0,127²) = 0,0558 м²;

Расход промывочной жидкости на данном интервале рассчитывается по формуле (2.16):

Q = 0,9 ∙ 0,0558 ∙10³ = 50,22 л/с.

В интервале бурения под эксплуатационную колонну принимается: d_Б.Т. = 0,127 м, V_В = 0,6 м/с, тогда площадь кольцевого пространства рассчитывается по формуле (2.17):

S_К.П. = 0,785 ∙ (0,2159² – 0,127²) = 0,0239 м²;

Расход промывочной жидкости на данном интервале рассчитывается по формуле (2.16):

Q = 0,6 ∙ 0,0239 ∙10³ = 15 л/с.

Рассчитывается расход промывочной жидкости из условия создания гидромониторного эффекта.

Q = F_н ∙ 7,5, л/с (2.18)

где F_н – площадь сечения насадок долота, см²;

F_н = m ∙ (π ∙ d_н²) / 4, см² (2.19)

где m – число насадок;

d_н – диаметр насадок, см.

Площадь сечения насадок долота рассчитывается по формуле (2.19):

F_н = 3 ∙ (3,14 ∙ 1,5²) / 4 = 5,29 см²

Расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (2.18):

Q = 5,29 ∙ 7,5 = 39,6 л/с

3. Рассчитывается расход промывочной жидкости, обеспечивающий вынос шлама на поверхность.

Q = V_кр∙ S_max+ (S_заб∙ V_мех∙ (γ_п – γ_ж)) / (γ_см – γ_ж), м³/с (2.20)

где V_кр – скорость частиц шлама относительно промывочной жидкости, м/с;

S_max – максимальная площадь кольцевого пространства в открытом стволе, м²;

S_заб – площадь забоя скважины, м²;

V_мех – механическая скорость бурения, м/с;

γ_п – удельный вес породы, г/см³;

γ_ж – удельный вес промывочной жидкости, г/см³;

γ_см – удельный вес смеси (шлам и промывочная жидкость), г/см³;

γ_см – γ_ж = 0,01 ÷ 0,02 г/см³, принимаем γ_см – γ_ж = 0,02 г/см³.

Задаются параметры: V_мех = 0,05 м/с, V_кр = 0,5 м/с, γ_п = 2,4 г/см³, γ_ж = 1,15 г/см³.

В интервале от 0 до 750 метров рассчитывается площадь забоя скважины:

S_заб = 0,2953² ∙ 0,785 = 0,068 м²;

В интервале от 750 до 2498 метров площадь забоя скважины будет равняться:

S_заб = 0,2159² ∙ 0,785 = 0,036 м².

В интервале от 0 до 750 метров рассчитывается максимальная площадь кольцевого пространства скважины:

S_max = (0,2953² – 0,127²) ∙ 0,785 = 0,0558 м²;

В интервале от 750 до 2498 метров максимальная площадь кольцевого пространства скважины будет равняться:

S_max = (0,2159² – 0,127²) ∙ 0,785 = 0,0239 м².

В интервале от 0 до 750 метров рассчитывается расход промывочной жидкости по формуле (2.20):

Q = 0,5 ∙ 0,0558 + (0,068 ∙ 0,05 ∙ (2,4 – 1,15)) / 0,02 = 0,24 м³/с = 24 л/с

В интервале от 750 до 2498 метров расход промывочной жидкости будет равняться:

Q = 0,5 ∙ 0,0239 + (0,036 ∙ 0,05 ∙ (2,4 – 1,11)) / 0,02 = 0,12 м³/с = 12 л/с

4. Рассчитывается расход промывочной жидкости, предотвращающий размыв стенок скважины.

Q = S_min ∙ V_{кп max}, л/с (2.21)

где S_min – минимальная площадь кольцевого пространства, м²;

V_{кп max} – максимально допустимая скорость течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве, V_{кп max} = 1,5 м/с.

В интервале бурения под кондуктор принимается d_Б.Т. = 0,178м и минимальная площадь кольцевого пространства рассчитывается:

S_min = 0,785 ∙ (0,2953² – 0,178²) = 0,0435 м²;

В интервале бурения под эксплуатационную колонну принимается d_Б.Т. = 0,178м и минимальная площадь кольцевого пространства рассчитывается:

S_min = 0,785 ∙ (0,2159² – 0,178²) = 0,0117 м²;

В интервале бурения под кондуктор расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (2.21):

Q = 0,0435 ∙ 1,5 =0,065 м³/с = 65 л/с;

В интервале бурения под эксплуатационную колонну расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (2.21):

Q = 0,0117 ∙ 1,5 =0,018 м³/с = 18 л/с.

5. Рассчитывается расход промывочной жидкости для предотвращения прихватов инструмента.

Q = S_max ∙ V_{кп min}, м³/с (2.22)

где S_max – максимальная площадь кольцевого пространства, м²;

V_{кп min} – минимально допустимая скорость промывочной жидкости в кольцевом пространстве, V_{кп min} = 0,5 л/с.

В интервале бурения от 0 до 750 метров расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (2.22):

Q = 0,0558 ∙ 0,5 = 0,0279 м³/с = 27,9 л/с;

В интервале бурения от 750 до 2498 метров расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (2.22):

Q = 0,0239 ∙ 0,5 = 0,0119 м³/с = 11,9 л/с.

6. Расчет не допущения гидроразрыва пород.

Р_гр = 0,0083 ∙ Н + 0,66 ∙ Р_пл, (2.23)

где Н – глубина скважины, м;

Р_пл – пластовое давление, МПа.

Принимаются плотность промывочной жидкости γ_ж = 1,1 г/см³, пластовое давление Р_пл = 26,1 МПа.

Следовательно, по формуле (2.23):

Р_гр = 0,0083 ∙ 2580 + 0,66 ∙ 26,1 = 38,58 МПа.

Давление в скважине рассчитывается по формуле:

Р_скв = 0,1 ∙ γ_ж ∙ Н, атм. (2.24)

где γ_ж – плотность промывочной жидкости, г/см³;

Н – глубина скважины, м.

Р_скв = 0,1 ∙ 1,1 ∙ 2498 = 342.87атм. =34.28МПа.

Так как Р_гр ≥ Р_скв, значит гидроразрыва пород не будет.

Из всех расчетных значений расхода промывочной жидкости приведенных выше выбирают оптимальные. Результаты расчетов приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Интервал, м		Расход промывочной жидкости (Q), л/с
0	750		24 ÷ 65
750	2498		11 ÷ 39

2.3.4 Выбор и обоснование типа промывочной жидкости и ее свойств для бурения различных интервалов проектной скважины

Буровые растворы выполняют ряд функций, которые определяют не только увеличение скорости бурения, но и ввод скважин в эксплуатацию с максимальной продуктивностью.

Основные функции: обеспечение быстрого углубления, сохранение устойчивости стенок скважины и коллекторских свойств продуктивных пластов. Выполнение указанных функций зависит от взаимодействия бурового раствора с проходимыми горными породами. В настоящее время для удаления продуктов разрушения, при бурении скважин, используются растворы на водной основе (глинистые, малоглинистые), растворы на нефтяной основе.

При проходке интервала под кондуктор разбуриваются неустойчивые глинистые отложения и рыхлые песчаники, поэтому буровой раствор должен обладать высокой выносящей способностью, обеспечивать сохранение стенок скважины и обладать хорошей смазочной способностью для предотвращения прихватов бурового инструмента. Для решения этих задач используется буровой раствор с повышенной плотностью и структурно-реологическими характеристиками и не высоким значением показателя фильтрации. Указанные требования к технологическим показателям бурового раствора обуславливают использование при бурении под кондуктор глинистый раствор.

Буровой раствор, используемый для бурения под эксплуатационную колонну, должен обладать свойствами, позволяющими обеспечить безаварийную проводку скважины, высокие технико-экономические показатели бурения.

Одним из основных показателей бурового раствора является плотность, которая выбирается исходя из требований правил безопасности, особенностей геологического строения разреза и опыта бурения скважин в аналогичных условиях.

Бурение под эксплуатационную колонну производится на глинистой суспензии плотностью 1,05 г/см³, для приготовления которой используется часть раствора, оставшегося после бурения под кондуктор, с последующей наработкой естественного глинистого раствора при разбуривании глинистых отложений.