книги из ГПНТБ / Элияшевский, И. В. Типовые задачи и расчеты в бурении учеб. пособие

температура движущегося воздуха; L = 50 м — длина шламоотво­ дящей линии; g = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести; d — 0,150 м — внутренний диаметр шламоотводящей линии; F — площадь попереч­ ного сечения шламоотводящей линии

Таким образом, давление у устья, т. е. в начале шламоотводящей трубы, составляет 2,44 кгс/см2.

Определим давление в начале герметизирующего устройства. Для различных конструкций герметизирующих устройств потери давления различны, однако они весьма малы по абсолютной вели­ чине. В современных герметизирующих устройствах эти потери обычно колеблются в пределах 0,1—0,03 кгс/см2.

Принимая для нашего случая потери давления в герметизиру­ ющем устройстве равными 0,1 кгс/см2, находим, что давление в на­ чале герметизирующего устройства равно

рг. у. н = 2,44 + 0,1 = 2,54 кгс/см2.

Определим давление в начале кольцевого пространства (давление

где рг у н = 25 400 кгс/м2 — давление в начале герметизирующего пространства; L = 2400 м — глубина скважины; Т = 310 °К — сред­ няя температура движущегося воздуха; GcyM = 0,94 кг/с — весовой расход воздуха и шлама; К — постоянная величина при данных раз­ мерах сечения труб в с2/м2.

Г, ^ R ^ 2

2gF*da *

Здесь Лк — безразмерный коэффициент аэродинамического сопроти­ вления кольцевого пространства. Согласно данным табл. 29 приложе­ ния, Як = 0,0213; F — площадь кольцевого сечения потока в м2.

F = -J (D2CKB— D2) = (0,22 - 0,1142) = 0,021 м2;

d3 — эффективный диаметр труб в м. Согласно данным табл. 28 приложения, d3 = 0,086 м.

Подставляя данные в формулу, получаем

К

0.0213-302 -31Q2 ,

2-9,81-0,0212-0,086

70

Следовательно,

Рк. н = 6,75 кгс/см2.

Определим абсолютное давление в нижней части бурильных труб (над долотом). Для этого к ранее полученным абсолютным давлениям прибавляют потери давления в долоте, которые зависят от конструк­ ции последнего. Для нашего случая при долоте диаметром 190 мм и принятых параметрах циркулирующего воздуха не будет грубой ошибкой, если потери давления принять равными 1 кгс/см2. Тогда абсолютное давление в бурильных трубах над долотом будет

ит. к = 6,75 + 1 = 7,75 кгс/см2.

Определим абсолютное давление на выкиде компрессора. Для упрощения расчета потерь давления в бурильных трубах, ведущей трубе, вертлюге, гибком шланге и обвязке, а также в ряде местных сопротивлений, в том числе в замково-муфтовых соединениях колонны бурильных труб, все местные сопротивления приводим к эквивалент­ ной длине основного расчетного размера бурильных труб. Все эти местные сопротивления (кроме замково-муфтовых соединений) можно легко рассчитать по методу эквивалентных длин.

Однако в настоящем случае потери давления в местных сопроти­ влениях будут незначительны по сравнению со всеми другими участ­ ками, поэтому эквивалентную длину их принимаем по опытным дан­ ным 1Э= 100 м.

Эквивалентную длину замково-муфтовых соединений рассчиты­ ваем по формуле

где d — внутренний диаметр бурильных труб в м; е — безразмерный коэффициент местных сопротивлений; п — число местных сопроти­ влений (количество замков); X — безразмерный коэффициент аэро­

Таким образом, общая расчетная длина трубопровода диаметром, равным диаметру бурильных труб, составит

L = 2400 + 100 + 880 = 3380 м.

П р и ме ч а н и е . Метод эквивалентных длин можно также использовать для ускорения расчетов потерь давления в коротких участках, диаметр проход­

71

ного отверстия которых отличается от диаметра бурильных труб (обвязка, трубы УБТ и т. и.). В этом случае эквивалентную длину определяют по формуле

IЭ—

где /у, d, dy — соответственно длина участка (УБТ) в м, внутренний диаметр бурильных труб и внутренний диаметр данного участка циркуляционной си­ стемы (УБТ).

Абсолютное давление на выкиде компрессора определяют по формуле

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ КОМПРЕССОРА ПРИ ПРОДУВКЕ В СУХИХ СКВАЖИНАХ И С ВОДОПРОЯВЛЕНИЯМИ

Задача 37. Определить мощность компрессора, необходимую для бурения сухой скважины глубиной 2000 м, если объемный рас­ ход воздуха составляет 0,50 м3/с; плотность воздуха у о = 1,23 кг/м3; температура воздуха на всасывании 293 °К; (20 °С); давление на вса­ сывании компрессора 1 кгс/см2; давление на выкиде компрессора 12 кгс/см2; механический к. п. д. компрессора riMex = 0,9; показатель политропы 1,2; газовая постоянная воздуха R = 30 кгс-м/кг °С.

Решение. Определим весовой расход воздуха по формуле

G = Q\o>

72

где Q — 0,50 м3/с — объемный расход воздуха; у о = 1,23 кг/м3 — плотность воздуха. Тогда G == 0,50-1,23 = 0,62 кг/с.

Определим работу политроцического сжатия 1 кгс воздуха по формуле

давление на всасывании компрессора, равное 1 кгс/см2, или 104 кгс/м2; р 2 — давление на выкиде компрессора, равное 12 кгс/см2, или

12-104 кгс/м2.

Подставляя эти значения в формулу работы подтропического сжатия, получаем

Определим мощность на валу компрессора по формуле

Следовательно, для бурения без притока воды мощность на валу компрессора составит 214 л. с.

Задача 38. Используя данные предыдущей задачи, определить мощность компрессора и давление на выкиде при бурении с водопроявлениями. Водоносный пласт вскрыт на глубине 1500 м с деби­ том 3 л/с.

Решение. Общая потребная мощность на валу компрессора (ком­ прессоров) составит

Л Гоб — N + -^догп

где N — мощность компрессора, необходимая для бурения сухой скважины, равная 214 л. с.; N wn — дополнительная ^мощность, необходимая для выдувания из скважины воды.

где G — приток воды, равный 3 кгс/с; Н — глубина залегания водо­ проявляющего горизонта, равная 1500 м; т)под — к. п. д. подъемника (эрлифта). Можно принять т]под = 0,252, тогда

Следовательно,

ZVo6 = 214 + 238 = 452 л. с.

73

Если при этих условиях сохраняется производительность ком­ прессора постоянной (0,50 м3/с), то давление на выкиде в связи с водопроявлением резко возрастает. Для новых условий определим работу политропического сжатия 1 кгс воздуха

Определим давление на выкиде компрессора при бурении с водо-

проявлениями по формуле

П

=•-rtT + 1

Подставляя ранее найденные значения, получаем

Очевидно, что такое увеличение давления на выкиде компрессора не рационально, так как при этом резко сокращается объем цирку­ лирующего агента и, следовательно, уменьшается скорость восходя­ щего потока, что резко снижает подъемную силу потока. Поэтому для увеличения скорости восходящего потока необходимо увеличить объемный расход воздуха от 0,50 до 1 м3/с, тогда весовой расход воздуха составит

G = Qy0 = 1 • 1,23 = 1,23 кг/с.

Работа политропического сжатия 1 кгс воздуха будет равна

Тогда давление на выкиде компрессора составит

П

В результате для принятых условий бурения с водопроявлением параметры компрессора могут быть: Q = 0,50 м3/с (30 м3/мин),

р = 62 кгс/см2 или Q = 1 м3/с (60 м3/мин), р = 7,2 кгс/см2.

Г л а в а Y

ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА

ВЫБОР ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ

Для улучшения качества буровых жидкостей их обрабатывают химическими реагентами. В настоящее время бурение с промывкой необработанными растворами производят в отдельных случаях при небольших глубинах и в неосложненных геологических условиях.

В осложненных условиях бурения раствор, состоящий только из воды и глины, не удовлетворяет предъявляемым к нему требова­ ниям. Поэтому необходимо его химически обрабатывать, что способ­ ствует:

снижению водоотдачи и уменьшению толщины глинистой корки; получению минимального значения статического напряжения

сдвига; понижению вязкости;

лучшему закреплению неустойчивых пород; получению растворов, которые не глинизировали бы нефтеносные

и газоносные горизонты;

. предотвращению потерь циркуляции или их снижению; сохранению глинизирующей способности раствора при разбури­

вании соленосных или гипсовых толщ; утяжелению растворов и сохранению при этом их подвижности; противодействию влияния высоких температур.

По влиянию на структурно-вязкостные свойства и водоотдачу все реагенты, добавляемые к раствору, можно разделить на три группы.

1. Реагенты-стабилизаторы. К этой группе относятся поверхност­ но-активные вещества, которые дают с водой гидрофильные коллоид­ ные растворы.

2.Реагенты-структурообразователи. К ним относятся все щелоч­ ные электроды: кальцинированная сода, некоторые фосфаты, силикат натрия (жидкое стекло), а также едкий натр.

3.Реагенты-коагуляторы. К этой группе относятся нейтральные или кислые соли или кислоты (сульфаты натрия, кальция, магния

идр.).

75

Рассмотрим вкратце обработку глинистых растворов наиболее распространенными химическими реагентами.

Углей,елочной реагент (УЩР) уменьшает водоотдачу, повышает стабильность и вязкость, снижает статическое напряжение сдвига глинистого раствора. УЩР не следует применять для обработки глинистых растворов в условиях сильных осыпей и высокой минера­ лизации, так как при этом чрезмерно возрастает вязкость.

Торфощелочной реагент (ТЩР). Раствор, обработанный реаген­ том ТЩР, приобретает большую вязкость при незначительной плот­ ности, что особенно важно для борьбы с поглощением буровой жидкости.

Сульфит-спиртовая барда (ССБ) снижает вязкость, водоотдачу и толщину глинистой корки.

Для повышения эффективности разжижения в ряде районов применяют комбинированный реагент СУЩР (бурый уголь 20%, едкий натр 6% и ССБ 3%).

Конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ). При обра­ ботке глинистых растворов реагентом КССБ уменьшается количество проработок ствола, случаев затяжек и посадок колонны, резко сокра­ щается время на обработку буровых „жидкостей. Недостатком КССБ является то, что при добавках ее более 3% жидкость загустевает.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) является наиболее эффективным реагентом, стабилизирующим качество растворов в условиях агрес­ сивного воздействия солей (кальция, магния, хлористого натрия и др.), встречающихся в породах и пластовых водах в процессе буре­ ния. Наиболее сильно КМЦ понижает вязкость минерализованных растворов и в условиях агрессивных сред является чрезвычайно активным разжижителем.

Крахмал применяется в виде реагента, содержащего каустиче­ скую соду. Крахмальный реагент рекомендуется использовать для снижения водоотдачи глинистых растворов при бурении в сильно засоленных породах. Недостатком крахмального реагента является его повышенная вязкость.

Каустическая сода (NaOH) в качестве самостоятельного реагента применяется редко. Обычно она используется для приготовления щелочных реагентов из бурого угля, торфа, ССБ и т. д. и для приго­ товления быстросхватывающихся смесей при борьбе с осложне­ ниями.

Кальцинированная сода (Na2C03) при определенной концентра­ ции значительно повышает вязкость и статическое напряжение сдвига и понижает водоотдачу растворов.

Силикат натрия при введении в раствор в небольшом количестве (3—5%) повышает статическое напряжение сдвига, вязкость, водо­ отдачу и плотность. При добавке реагента в большом количестве происходит коагуляция и расслоение раствора.

Хлористый натрий (NaCl) вызывает коагуляцию глинистых рас­ творов даже при небольших добавках. Применяется этот реагецт для повышения статического напряжения сдвига растворов, пересы­

76

щенных УЩР. NaCl вместе с ССБ используется также для снижения водоотдачи и вязкости растворов.

Гексаметафосфат натрия (ГМФН) предназначен для снижения вязкости растворов. Он способен разжижать раствор лишь в преде­ лах концентрации до 1,5%. С увеличением концентрации ГМФН происходит коагуляция и загустевание раствора. При высоких тем­ пературах реагент неустойчив. ГМФН следует применять в основном для снижения вязкости утяжеленных растворов, обработанных УЩР.

Синтан ПЛ применяется в виде растворов 5—-10%-ной концен­ трации в щелочных реагентах или в воде для снижения вязкости утяжеленных глинистых растворов. Глинистая корка при этом ста­ новится тоньше и плотнее. Производство такого реагента ограничено вследствие недостатка сырья. Поэтому разработаны новые недефйцитные реагенты, в частности синтан ПС, являющийся активным пони­ зителем вязкости и имеющий ряд преимуществ перед УЩР, ССБ, КССБ и ГМФН.

Окисленный лигнин — понизитель вязкости растворов. В зави­ симости от применяемого окислителя получаемый продукт условно называется нитролигнином или хлорлигнином.

Полифенольный лесохимический реагент — понизитель вязкости (ПФЛХ). При обработке утяжеленных глинистых растворов ПФЛХ дает хорошие результаты: уменьшается вязкость раствора и сокра­ щается расход утяжелителя в 1,5—2 раза и каустической соды в 3—4 раза.

Гипан повышает термостойкость глинистых растворов. Добавки его до 1 % обеспечивают низкие водоотдачи при температуре 200 °С. Еще меньшее количество гипана может быть применено при комби­ нировании с УЩР.

Хроматине реагенты — хроматы и бихроматы калия и натрия — применяются в условиях высоких забойных температур для предот­ вращения загустевания растворов. Эти реагенты наиболее эффективны при температуре свыше 100 °С, когда другие реагенты, служащие для понижения вязкости, перестают действовать.

Обработка промывочных жидкостей химическими реагентами является сложным процессом, зависящим от количества и качества химических реагентов, характера воздействия их на раствор, а также целого ряда других факторов, в том числе физико-химических свойств твердой фазы раствора. В качестве последней могут быть разнообраз­ ные горные породы — глины, мергели, известняки и др. Даже от­ дельные виды твердой фазы (например, глины бывают неоднородны по своему составу. В связи с этим одни и те же химические реагенты могут оказывать различное действие на растворы с неодинаковой фазой. Поэтому для успешного бурения скважин в осложненных условиях обработка растворов одним каким-нибудь даже высокоэф­ фективным реагентом бывает недостаточной. В связи с этим приме­ няется комбинированная химическая обработка. Рецептуру хими­ ческих реагентов необходимо разрабатывать индивидуально для

77

каждой скважины. Химическая обработка раствора должна проте­ кать в два этапа.

Целью первого этапа химической обработки является получение буровой жидкости с заданными свойствами. Вторичная обработка применяется для поддержания этих свойств.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЩР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА В ЗАДАННОМ ИНТЕРВАЛЕ

Задача 39. Определить количество сухого торфа для обработки глинистого раствора при следующих данных

ный на пресной воде, обрабатывают торфощелочным реагентом (ТЩР)

где 7 ИСХ— исходный объем глинистого раствора в скважине до обра­ ботки его химическими реагентами, соответствующий забою сква­ жины, с которого начата химическая обработка,

^исх = ^скв+ ^ж + 7 ч.

7 скВ — объем скважины до обработки глинистого раствора химиче­ скими реагентами

7 СКВ= 0,0725-500 = 36 м3.

Здесь 0,0725 м3 — внутренний объем 1 м обсадной трубы диаметром 325 мм (СУСН, табл. 15); 500 м — глубина, с которой начата хими­ ческая обработка глинистого раствора. 7 Ж— объем желобной системы (4—7 м3); 7 Ч— объем приемных чанов у буровых насосов (10—40 м3). Принимая 7 Ж= 5 м3, 7 Ч= 35 м3, получаем

7 ИСХ= 36 + 5 + 35 = 76 м3.

n lt п 2, . . ., пп — нормы расхода сухого торфа в 1 кг на 1 м проходки с учетом скорости бурения и диаметра скважины. Согласно СУСН

(табл. 7), п г = 38,2; п2 — 28; Ц, 12, . . . , / „ — интервалы скважины,

78

соответствующие данной норме, в м. В нашем примере 1г = 2000 —

-500 = 1500 м; 12 = 2500 — 2000 = 500 м.

Подставляя полученные данные в формулу, определяем потребное количество сухого торфа

Q = 0,06 • 76 + 0,001 (38,2 • 1500 + 28 • 500) ■0,5 = 35,2 т.

Для получения количества торфа с содержанием влаги, регламен­ тированной техническими условиями на поставку, умножаем коли­ чество сухого торфа на коэффициент 1,6, тогда

<?т = 35,2 • 1,6 = 56,4 т.

Количество каустической соды берется равным в среднем 20% от весового количества торфа

Qk. с = 0,2@ — 0,2 • 35,2 7 т.

П р и м е ч а н и е . 1. Количество УЩР для обработки глинистого раствора определяется аналогично Т1ЦР.

2. При бурении на морской воде нормы расхода ТЩР и УЩР увеличива­

3. В табл. 7 СУСН нормы расхода даны в числителе для неутяжеленных растворов, в знаменателе — при бурении утяжеленными растворами плотностью выше 1,7 г/см3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ССЙ, КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ

ИГАЗОЙЛЕВОГО КОНТАКТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА

ВЗАДАННОМ ИНТЕРВАЛЕ

Задача 40. Определить количество ССБ, каустической соды и газойлевого контакта, потребных для химической обработки гли­ нистого раствора, начиная с глубины 1000 м, на которую спущена 273-мм промежуточная колонна. Дальше углублять скважину плани­ руется долотом диаметром 243 мм до глубины 2000 м. Плановая ско­ рость бурения 900 м/ст.-мес.

Значения букв, входящих в формулу, приведены в задаче 39.

Кскв = 0,0499 • 1000 = 49,9 м3.

Здесь 0,0499 м3 — внутренний объем 1 м обсадной трубы диа­ метром 273 мм (СУСН, табл. 15); 1000 м — глубина, с которой начата химическая обработка глинистого раствора. Тогда

FHCX= 49,9 + 5 + 35 = 89,9 м3.

79