книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

Г Л А В А IV

ВЫБОР БУРОВЫХ НАСОСОВ

ИИХ РАЦИОНАЛЬНАЯ ЗАГРУЗКА

ВПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

ВЫБОР БУРОВЫХ НАСОСОВ

От правильного выбора типа буровых насосов и их количества во многом зависят технико-экономические показатели строитель­ ства скважины, особенно в осложненных условиях. Насосная уста­ новка оуровой должна обеспечивать нужную подачу промывочной жидкости на всех интервалах бурения скважины.

Выбрав необходимый расход промывочной жидкости для интер­ валов бурения, необходимо подсчитать соответствующие давления нагнетания и мощности насосной установки. По полученным дан­ ным выбираются тип бурового насоса и количество насосов, а за­ тем двигатели для привода насосов.

При бурении в осложненных условиях обвязка буровых насосов должна обеспечивать одновременное выполнение промывки сква­ жины, утяжеления промывочной жидкости, откачки промывочной жидкости в запасные емкости и других вспомогательных работ, а также быструю замену в стволе скважины одной промывочной жидкости на другую [61].

Формулы для определения потребного расхода промывочной жидкости, исходя из различных условий, и соответствующие реко­ мендации приведены в предыдущих главах. Здесь лишь отметим, что всегда следует стремиться вести бурение при возможно мень­ шей подаче бурового флюида, которая должна устанавливаться на основе опыта бурения в данных или аналогичных условиях или на основе специально поставленных промысловых экспериментов, на­ пример, при бурении опорно-технологических скважин.

Увеличение подачи промывочной жидкости почти всегда поло­ жительно сказывается на показателях работы долот (особенно в роторном бурении и при бурении электробурами), и с точки зрения очистки забоя, долота и ствола скважины величина Q не имеет

111

критического значения. Однако повышение расхода промывочной жидкости сверх определенного значения не дает практически ощу­ тимого дополнительного эффекта в показателях работы долот и даже может привести к снижению скорости проводки скважины из-за частого выхода из строя буровых насосов, вертлюгов и дру­ гих элементов циркуляционной системы буровой вследствие чрез­ мерного давления нагнетания, а также из-за размыва стенок сква­ жины и других осложнений.

В турбинном бурении при выборе подачи промывочной жидко­

иметь в виду, что если при увеличении подачи промывочной жидко­ сти оставить осевую нагрузку на долото без изменения или лишь немного увеличить ее, то при прочих одинаковых условиях ско­ рость вращения долота резко возрастет и соответственно сокра­ тится продолжительность контакта зубьев долота с породой; это может привести к переходу более эффективного вида разрушения породы на менее эффективный. Неразумное увеличение подачи промывочной жидкости в турбинном бурении (без соответствую­ щего повышения осевой нагрузки на долото, перехода на долота с большим шагом зубьев и т. д., особенно если увеличение Q не тре­ бовалось для улучшения промывки скважины) может привести к снижению показателей бурения, если не технических, то экономи­ ческих [11].

Рациональной подачей промывочной жидкости является расход QT3, определяемый для конкретных условий на основе технико-эко­ номического анализа.

где йц и ап— коэффициенты, характеризующие пропускную спо­ собность циркуляционной системы буровой и зависящие от геомет­ рии и размеров элементов этой системы, свойств промывочной жидкости и режима ее течения в указанных элементах; А3.д— ко­ эффициент, характеризующий пропускную способность забойного двигателя и кольцевого пространства за ним и зависящий от типо­ размера забойного двигателя, свойств и режима течения промывоч­ ной жидкости.

112

уменьшен в основном в результате увеличения диаметра промывоч­ ных каналов в долоте и уменьшения длины тяжелого низа, а ко­ эффициент йц — путем изменения диаметра применяемых буриль­ ных труб (в большую или меньшую сторону в зависимости от со­ отношения между диаметрами труб и долота [61]). Уменьшение коэффициента Л3. д возможно путем изменения типоразмера за­ бойного двигателя.

Степень загрузки насосной установки может определяться проч­ ностью одного из звеньев циркуляционной системы буровой (на­ пример, прочностью бурового шланга или вертлюга) или проч­ ностью насосов. В таком случае максимальная величина подачи промывочной жидкости подсчитывается по формуле

(IV.9)

в которой /7тах- — допускаемое давление нагнетания в кгс/'см2.

Из формулы (IV.9) следует, что при данном значении ршах, ко­ торое принимается равным наименьшей величине из ро и рмд (где Ро допускаемое давление для насоса при работе с цилиндровыми втулками данного диаметра и рмд— допускаемое давление для ма­ нифольда), для сохранения заданного расхода промывочной жид­ кости по мере увеличения глубины скважины также необходимо принимать меры по уменьшению коэффициентов ЬІЬ а„ и Ая д.

Из формул (ІѴ.8) и (IV.9) видно, что с увеличением глубины бурения при определенных условиях возникает необходимость сни­

Техническая оснащенность буровых в настоящее время обычно не позволяет плавно изменять расход промывочной жидкости. По­ этому выполнить условие pHQ= const можно только для определен­ ных глубин бурения, т. е. ступенчато.

Допускаемое давление для насосов р0 изменяется с изменением диаметра их цилиндровых втулок. Что касается производительно­ сти насосной установки буровой, то она регулируется как измене­ нием диаметра цилиндровых втулок насосов, так и изменением числа двойных ходов поршня в минуту и количества работающих насосов.

Зная характеристику буровых насосов, можно определить чис­ ло двойных ходов поршня в минуту и диаметр цилиндровых вту­ лок при заданном расходе промывочной жидкости, а воспользо­ вавшись формулами (ІѴ.8) и (IV.9), можно найти предельную глубину бурения из условия полного использования мощности на­

то число ходов поршня в минуту можно изменять только в резуль-

114

таге смены шкива па валу электродвигателя; при двигателях внут­ реннего сгорания в некоторых пределах изменять число ходов поршня в минуту возможно изменением числа оборотов двигателя.

Для регулирования производительности буровых насосов в про­ цессе бурения желательно применять турботрансформаторы, короб­

ки перемены передач, электропривод постоянного тока и другие способы.

Полная загрузка насосной установки буровой является необхо­ димым, но недостаточным условием рационального ее использова­ ния; при полной загрузке буровых насосов необходимо иметь на забое возможно большее значение гидравлической мощности по­ тока промывочной жидкости и полностью реализовать эту мощ­ ность. При заданном давлении насосной установки /?тіу гидравли­ ческая мощность потока промывочной жидкости на забое будет максимальной, если расход этой жидкости для случая роторного бурения будет иметь величину, определяемую по формуле

где Ь'п— коэффициент, учитывающий потери давления в манифольде, утяжеленном низе и кольцевом пространстве за УБТ; /;пу обычно равно Ртах-

Для случая бурения электробурами формула (IV.10) имее*г вид

В формуле (IV.11) Аэб — коэффициент, учитывающий потери дав­ ления в электробуре и кольцевом пространстве вокруг него, а в формуле (IV.12)

роторном бурении и при бурении электробурами долото с соответ­

115

уменьшение W3 (вследствие применения Q, несколько меньшей Q0) приводит к ощутимому повышению доли забойной мощности по­

же W3 всего на 8 кВт (на 2,7%) при Q= 35 л/с приводит к сниже­ нию гидравлической мощности насосов на 62 кВт, т.е. па 14,1%. Забойная мощность потока промывочной жидкости при этом со­ ставляет уже не 66,7%, а 75,5% от гидравлической мощности на­ сосов.

Следовательно, при незначительном уменьшении забойной мощ­ ности потока по сравнению с 1Ѵ3тах при подаче на забой меньшего количества жидкости, чем Q0, будет значительно меньше расходо­ ваться энергии на привод насосов, чем при Q0; технические пока­ затели бурения при этом останутся на том же уровне, а экономи­ ческие должны возрасти. С учетом сказанного рекомендуется [88]

принимать Q=(0,85—0,9)Q0.

При выборе расхода промывочной жидкости следует принимать во внимание не только энергетическую сторону вопроса, но и тех­ нологические требования. Для удовлетворения этих требований ве­ личина Q вычисляется по формулам, приведенным в предыдущих

циркуляционной системы с наибольшей пропускной способностью, в частности следует использовать бурильные трубы оптимального диаметра [61].

Таким образом, вопросы рационального использования буровой насосной установки и выбора расхода промывочной жидкости тесно связаны между собой. Выбор Q определяется рядом факторов, ос­ новными из которых являются гидравлическая мощность буровой

П6

установки, допускаемое давление нагнетания (определяемое проч­ ностью насосов и манифольда), возможность регулирования произ­ водительности насосной установки, типоразмер долота и буриль­ ных труб, характер разбуриваемых пород, параметры промывочной жидкости, осевая нагрузка па долото и скорость вращения долота, геологические условия бурения, глубина бурения. Поэтому вычис­ ленное по указанным выше формулам значение Q должно коррек­ тироваться с учетом перечисленных факторов и опыта бурения на данной и аналогичных площадях.

РАЦИОНАЛЬНАЯ ЗАГРУЗКА БУРОВЫХ НАСОСОВ

ВРОТОРНОМ БУРЕНИИ

ИПРИ БУРЕНИИ ЭЛЕКТРОБУРАМИ

Для случая роторного бурения уравнение (ІѴ.4) можно запи­ сать в следующем виде:

По мере углубления скважины рп будет возрастать. Предельное значение рн равно рщ. Для этого значения рп формула (IV. 16) при­ нимает вид

Р ну Ѵ ж ( & д - Г 6 д + а ц І пр )Q2, (IV. 17)

где L"p — предельная длина колонны бурильных труб при данных условиях бурения.

117

При данном значении риу величина апу изменяется с измене­ нием расхода промывочной жидкости согласно уравнению (IV. 19).

линии соответствуют смене цилиндровых втулок, а следовательно, росту Рау. Такой способ управления загрузкой насосов нерациона­ лен, так как почти все время насосы подают Q>Qmin и зачастую их подача большеQ0.

Второй способрегулирования загрузки буровых насосов по давлению заключается в поддержании постоянной подачи промы­ вочной жидкости, а именно: Q= Qmm или Q= (0,85—0,9) Q0. До­ грузка насосов осуществляется путем изменения f0 (или диаметра) насадок гидромониторных долот. Характер загрузки буровых на­ сосов для этого случая показан на рис. 29 сплошной ломаной ли­ нией. Эта линия плотнее прижимается к линиям предельных дав­ лений насосов р0\, ро2 , роз и т. д., что говорит о более полной за­ грузке насосов.

Наличие верхнего предела давлений рмд, обусловленного проч­ ностью манифольда, снижает степень загрузки насосов.

Если первая схема загрузки насосов дает возможность произ­ водить промывку при одновременной работе насосов с различными втулками, то вторая схема этого не позволяет делать, так как при этом не увеличиваются допустимые значения рпу.

По второй схеме, если в начале бурения промывку вполне обес­

118

печит работа одного насоса на втулках большого диаметра, то в конце бурения может потребоваться работа всех насосов, по на втулках малого диаметра. В ряде случаев для обеспечения усло­ вия Pn^'Pmns не исключена возможность перехода на негидромони­ торные долота.

На рис. 29 расстояние по оси давлений между сплошной и штрихпунктирной линиями в заштрихованной области соответст­ вует перепаду давления, реализуемому в долоте на забое скважи­ ны при загрузке насосов по второму способу.

Если исходить из условия полного использования мощности на­ сосной установки буровой, то в соответствующие формулы вместо аиу следует подставлять

(ІѴ.22)

В случае бурения электробурами следует в круглые скобки уравнений (IV.16), (IV.17), (IV.18), (IV.20), (IV.21) и (ІѴ.22) вве­ сти в качестве слагаемого коэффициент Лэб, как это сделано в формуле (IV.11). Кроме того, правая часть уравнения (IV.20) должна включать слагаемое /эг>— длину электробура.

РАЦИОНАЛЬНАЯ ЗАГРУЗКА БУРОВЫХ НАСОСОВ

ВТУРБИННОМ БУРЕНИИ

Втурбинном бурении промывочная жидкость одновременно служит и рабочим агентом, передающим энергию от поверхност­ ного оборудования (буровые насосы) к забойному гидравлическо­ му двигателю (турбобуру), являющемуся непосредственным при­ водом долота. Поэтому вопросы рационального использования бу­ ровой насосной установки при этом способе бурения имеют особенно важное значение.

Вслучае тѵрбинного бурения следует в круглые скобки урав­

нений (IV.16),'(IV.17), (IV. 18), (IV.20), (ІѴ.21) и (ІѴ.22) ввести в качестве -слагаемого коэффициент Лрт, определяемый по формуле

где Лрт— коэффициент, учитывающий перепад давления в турбо­ буре и в кольцевом пространстве вокруг него; Л* — коэффициент,

учитывающий потери давления в кольцевом пространстве за тур­ бобуром; Лр — параметр турбины турбобура и Ьи— коэффициент, учитывающий потери давления в узле упорного подшипника, про­ межуточных подшипниках и в канале вала турбобура [88].

Обычно в расчетах пренебрегают потерями давления за турбо­ буром и принимают ЛрТ«:• Л£, причем

(IV.24)

119

где /г — число ступеней в турбине турбобура; Лр1 — параметр, ха­ рактеризующий одну ступень турбины турбобура и зависящий от ее типоразмера [89].

Следовательно, как сказано выше, в турбинном бурении степень загрузки буровой насосной установки можно регулировать и изме­ нением типоразмера турбобура, т. е. изменением параметра Лр1 и числа ступеней к.

Если исходить из условия полного использования мощности на­ сосной установки буровой, то, как и в случае роторного бурения и бурения электробуром, в соответствующие формулы вместо коэф­ фициента аиу следует подставлять коэффициент а®у, вычисляемый

по формуле (ІѴ.22).

Таким образом, между характеристикой турбобура (определяе­ мой параметром /ф . режимом работы буровой насосной установ­

ки (характеризуемым величиной апу) и параметрами циркуляцион­ ной системы буровой и промывочной жидкости (характеризуемы­ ми коэффициентами ац и Ьц, а также удельным весом промывочной

Для реализации забойной мощности потока промывочной жид­ кости преимущественно по линии вращающего момента на валу турбобура необходимо выбрать такой турбобур и с таким числом ступеней в нем, чтобы при одинаковой мощности он имел наиболь­

120