Скачиваний:
145
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
6.67 Mб
Скачать

a = 5000); Qò − масса утяжеленных труб, кг; Qá − масса колонны бурильных труб, кг. В формуле (5.15) Qò < Qá.

Если колонна движется со скоростью v и конечным ускорением w, то после ее мгновенной остановки наибольшее напряжение можно оценить по формуле

σ = σñò + Ev + Ewl , a a2

ãäå l − длина колонны, м.

КРУЧЕНИЕ

Касательные напряжения в трубах действуют по всей длине бурильной колонны. Неравномерная подача энергии и неравномерное ее поглощение колонной приводит к изменению крутящего момента в процессе вращения, что, в свою очередь, влечет за собой ускорение и замедление вращения и, как следствие, возникновение колебаний колонны. На бурильную колонну передаются как постоянные, так и переменные моменты.

Среднее значение крутящего момента

M = 9550

Nâ + Nè + Nä

.

(5.16)

 

n

 

Мощность (в кВт), расходуемая на холостое вращение стальных труб в вертикальной скважине,

Nâ =13,5 10−8 ld2n1,5D0,5γæg,

(5.17)

ãäå l − длина колонны, м; d − диаметр бурильных труб, м; n − частота вращения колонны, об/мин; D − диаметр скважины, м.

Мощность (в кВт), расходуемая на вращение колонны на изогнутом участке,

Nè =

2n

EIGIp ,

(5.18)

9550R

 

 

 

ãäå R − радиус искривления, м; EI − жесткость сечения, Н м2; G − модуль сдвига, Н/м2; Ip − полярный момент инерции, м4.

Мощность (в кВт), расходуемая на разрушение породы (формула предложена фирмой «Юз», США),

Nä = 5 10−6 cnDä0,4Q1,3,

(5.19)

ãäå c − коэффициент крепости пород (мягкие 7,8; средние 6,9; твердые 5,5); Dä − диаметр долота, мм; Q − осевая нагрузка на долото, кН.

Касательные напряжения (в Н/м2) в колонне

τ = 9550

Nâ + Nè + Nä

,

(5.20)

 

Wp

 

ãäå Wp − полярный момент сопротивления сечения трубы, м3.

Для ведущих труб касательные напряжения определяют в зависимости

95

от формы сечения труб. Для ведущих труб квадратного сечения наибольшие напряжения (в Па) действуют на наружной поверхности трубы в середине квадрата (формула Г.М. Саркисова и Ю.А. Амен-заде)

τmax =

0,6Mêð

 

,

(5.21)

1 − 0,7

 

r

4 a3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå Mêð − крутящий момент, Н м; r − радиус канала трубы, м; a − половина стороны квадрата, м.

Динамические нагрузки возникают при заклинивании долота и остановке конца бурильной колонны. Примерное значение динамического напряжения (в Н/м2) можно оценить по формуле

τ = 1,2 107ωd,

(5.22)

где ω − угловая скорость; d − диаметр трубы.

 

НАПРЯЖЕНИЯ ИЗГИБА

Изгибающие напряжения в бурильных трубах возникают и в вертикальной, и в наклонно направленной скважинах и связаны с вращением колонны, сжатием колонны усилием, превышающим критическое зна- чение, а также с искривлением ствола скважины и искривлением бурильной колонны при бурении с плавучих средств, связанным с перемещением судна и др.

В зависимости от условий работы бурильная колонна может вращаться вокруг собственной оси или вокруг оси скважины. Характер вращения определяется затрачиваемой при этом энергией.

Изгибающие напряжения в вертикальной скважине рассчитывают из выражений:

переменные напряжения

 

σa = π2EIf/2L2W;

(5.23)

постоянное напряжение

 

σm = π2EIf/L2W èëè σm =2σa.

(5.24)

Изгибающие напряжения при вращении колонны на искривленных

участках

 

σa = EI/RW.

(5.25)

ãäå R − радиус искривления; W − осевой момент сопротивления опасного сечения. Напряжения σa являются знакопеременными.

Если колонна не вращается, то изгибающие напряжения постоянны и рассчитываются по формуле

σè = EI/RW.

 

 

 

 

 

(5.26)

 

Радиус искривления скважины

 

R =

 

 

l

 

 

,

(5.27)

2(1 − sin δ sin δ

2

cosβ − cosδ cos δ

)

1

1

2

 

 

 

ãäå δ1, δ2 − углы наклона соответственно в начальной и конечной точках

96

рассматриваемого участка длиной l; β − разность азимутальных углов в тех же точках.

НАПРЯЖЕНИЕ В ТРУБАХ, ПОДВЕШЕННЫХ В КЛИНОВОМ ЗАХВАТЕ

Осевую нагрузку Q (вес колонны Qê, кН), при которой напряжения в теле трубы достигнут предела текучести, определяют из выражения

Qê =Qc =

 

σòFc103

(5.28)

 

 

,

 

 

1 +

 

dñð

 

 

 

4l tg(α + ϕ)

 

ãäå σò − предел текучести материала трубы, МПа; F − площадь сечения тела трубы, м2; c − коэффициент, учитывающий неравномерное распределение удельного давления по окружности трубы; dñð − средний диаметр трубы, мм; l − длина соприкосновения клина с трубой, мм.

Коэффициент

 

βm

3m−1

(5.29)

ñ =

 

,

 

360

 

 

где β − угол охвата трубы плашками одного клина, градус; m − количество клиньев.

Ò à á ë è ö à 5.1

Предельные нагрузки (в кН) для бурильных труб

 

 

 

 

 

Диаметр труб, мм

 

 

 

Длина клина,

Группа прочно-

 

89

 

 

 

 

 

114

 

 

ìì

сти стали

 

 

Толщина стенки, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

9

11

 

7

8

 

9

10

11

300

Ä

590

740

880

 

730

830

 

930

1020

1120

 

Ê

770

970

1160

 

960

1090

 

1220

1340

1470

 

Å

850

1070

1280

 

1060

1200

 

1340

1480

1610

 

Ë

1000

1260

1510

 

1250

1420

 

1590

1750

1910

 

Ì

1160

1460

1740

 

1440

1640

 

1830

2020

2200

400

Ä

610

770

910

 

770

870

 

970

1070

1170

 

Ê

800

1010

1200

 

1010

1140

 

1280

1410

1530

 

Å

880

1110

1320

 

1110

1260

 

1400

1550

1690

 

Ë

1040

1310

1560

 

1310

1480

 

1660

1830

1990

 

Ì

1200

1510

1800

 

1510

1710

 

1910

2110

2300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 5.1

 

 

 

 

 

 

Диаметр труб, мм

 

 

 

 

Длина клина,

Группа прочно-

 

127

 

 

 

 

 

 

140

 

ìì

сти стали

 

 

 

Толщина стенки, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

8

 

9

 

10

8

 

9

 

10

11

300

Ä

800

910

 

1020

 

1120

990

 

1110

 

1220

1340

 

Ê

1060

1200

 

1340

 

1480

1300

 

1460

 

1610

1760

 

Å

1160

1320

 

1480

 

1630

1430

 

1600

 

1770

1930

 

Ë

1370

1560

 

1740

 

1920

1690

 

1890

 

2090

2290

 

Ì

1580

1800

 

2010

 

2220

1950

 

1180

 

2410

2640

400

Ä

850

960

 

1070

 

1180

1050

 

1170

 

1290

1410

 

Ê

1110

1260

 

1410

 

1560

1380

 

1540

 

1700

1860

 

Å

1220

1390

 

1550

 

1710

1510

 

1690

 

1870

2040

 

Ë

1440

1640

 

1830

 

2020

1790

 

2000

 

2210

2410

 

Ì

1670

1890

 

2110

 

2330

2060

 

2310

 

2550

2780

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

97

Формула (5.28) применима при c ≥ 0,7 è

 

4 3(1 − µ)2 l

3

π.

(5.30)

sR

 

2

 

 

В табл. 5.1 приведены предельные нагрузки для бурильной колонн, подвешенных в клиновом захвате. Расчеты выполнены для α = 9°7′45″ (уклон 1:6), tg(α + ϕ) = 0,4 и c = 1. В зависимости от типа захвата изменяются значения c è l.

6

ГЛАВА ПРОМЫВКА СКВАЖИН

При бурении скважин важнейшее значение имеют буровые промывочные растворы и технология промывки скважин. От их способности выполнять свои функции в различных геолого-технических условиях зависит эффективность буровых работ.

6.1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Различают физические и химические свойства бурового раствора. Физические свойства делятся на термодинамические, теплофизические, коллоидно-реологические, фильтрационные и электрические (рис. 6.1). Термины, характеризующие эти свойства, и их определения приведены в табл. 6.1.

Термины и определения, отражающие основные операции технологического процесса промывки скважины, приведены на рис. 6.2 и табл. 6.2.

Основная технологическая операция промывки скважины − прокачи- вание бурового раствора по ее стволу. Однако для выполнения этой операции необходимо реализовать вспомогательные операции: приготовление бурового раствора, его утяжеление, обработку химическими реагентами, очистку от шлама и газа и др.

Технологическое оборудование для промывки скважины (рис. 6.3) представляет ряд взаимосвязанных систем: приготовления и обработки бурового раствора, очистки его от шлама и газа, циркуляции. Каждая система включает ряд блоков и (или) несколько единиц оборудования. Эффективность работы каждого блока зависит от качества работы всех систем.

98

Рис. 6.1. Классификация основных свойств бурового раствора

 

 

 

Ò à á ë è ö à 6.1

Термины и определения основных показателей бурового раствора

 

 

 

 

 

 

Единица

 

Термин

 

физической

Определение

 

 

величины

 

Плотность

 

êã/ì3 (ã/ñì3)

Масса единицы объема бурового раствора

Условная вязкость

ñ

Величина, косвенно характеризующая гидравличе-

 

 

 

ское сопротивление течению, определяемая време-

 

 

 

нем истечения заданного объема бурового раствора

 

 

 

через вертикальную трубку

Касательное напряже-

Ïà

Величина, характеризующая сопротивление бурово-

ние сдвига

 

 

го раствора сдвигу, определяемая силой, вызываю-

 

 

 

щей этот сдвиг и приложенной к единице поверхно-

 

 

Ïà ñ

сти сдвига

Пластическая

âÿç-

Величина, характеризующая темп роста касательных

кость

 

 

напряжений сдвига при увеличении скорости сдвига

 

 

 

в случае когда зависимость касательного напряже-

 

 

 

ния сдвига от градиента скорости сдвига представ-

 

 

 

лена в виде прямой (не проходящей через начало

 

 

 

координат), определяемая углом наклона этой пря-

 

 

Ïà

ìîé

Динамическое

напря-

Величина, косвенно характеризующая прочностное

жение сдвига

 

 

сопротивление бурового раствора течению, опреде-

 

 

 

ляемая отрезком на оси касательного напряжения

 

 

 

сдвига, отсекаемым прямой, отображающей зависи-

 

 

 

мость касательной напряжения сдвига от градиента

 

 

 

скорости сдвига при течении бурового раствора

 

 

 

 

 

 

 

99

 

 

 

 

 

Ï ð î ä î ë æ å í è å

ò à á ë. 6.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Единица

 

 

 

 

 

Термин

физической

 

Определение

 

 

 

 

 

величины

 

 

 

 

 

Эффективная вяз-

Ïà ñ

Величина, косвенно характеризующая вязкость бу-

кость

 

 

 

рового раствора, определяемая отношением каса-

 

 

 

 

тельного напряжения сдвига к соответствующему

 

 

 

 

градиенту скорости сдвига

 

 

 

Статическое напряже-

Ïà

Величина, характеризующая прочностное сопротив-

ние сдвига

 

 

 

ление бурового раствора, находящегося в покое за-

 

 

 

 

данное время, определяемая касательным напряже-

 

 

 

 

нием сдвига, соответствующим началу разрушения

 

 

 

ñì3

его структуры

 

 

 

 

Показатель фильтра-

Величина, косвенно характеризующая

способность

öèè

 

 

 

бурового раствора отфильтровываться через стенки

 

 

 

 

ствола скважины, определяемая количеством дис-

 

 

 

 

персионной среды, отфильтрованной через прони-

 

 

 

 

цаемую перегородку ограниченной площади под

 

 

 

 

действием определенного перепада давления за оп-

 

 

 

 

ределенное время

 

 

 

Толщина

фильтраци-

ìì

Величина, косвенно характеризующая

способность

онной корки

 

 

бурового раствора к образованию временной крепи

 

 

 

 

на стенках скважины, определяемая толщиной слоя

 

 

 

 

дисперсной фазы, отложившейся на ограниченной

 

 

 

 

поверхности проницаемой перегородки под действи-

 

 

 

 

ем определенного перепада давления за определен-

 

 

 

ное время

 

 

 

 

Показатель коллои-

Величина, косвенно характеризующая физико-

дальности

 

 

 

химическую активность дисперсной фазы бурово-

 

 

 

 

го раствора,

определяемая

количеством

вещест-

 

 

 

 

ва, адсорбированного единицей массы дисперсной

 

 

 

ôàçû

 

 

 

 

Коэффициент

коллои-

Величина, равная отношению показателя коллои-

дальности

 

 

 

дальности дисперсной фазы бурового раствора к

 

 

 

 

показателю коллоидальности

эталонной

дисперсной

 

 

 

фазы бурового раствора

 

 

 

Показатель

минерали-

Величина, косвенно характеризующая

содержание

зации

 

 

 

водорастворимых солей в буровом растворе, условно

 

 

 

 

определяемая

эквивалентным

содержанием солей

 

 

 

хлористого натрия

 

 

 

Водородный показа-

Величина, характеризующая активность или концен-

òåëü

 

 

 

трацию ионов водорода в буровом растворе, равная

 

 

 

 

отрицательному десятичному логарифму активности

 

 

 

 

или концентрации ионов водорода

 

 

Напряжение

электро-

Â

Величина, косвенно характеризующая стабильность

пробоя

 

 

 

буровых растворов на углеводородной основе, опре-

 

 

 

 

деляемая разностью потенциалов в момент разряда

 

 

 

 

тока между расположенными на определенном рас-

 

 

 

 

стоянии электродами, погруженными в буровой рас-

 

 

 

 

òâîð

 

 

 

 

Электрическое сопро-

Îì

Сопротивление бурового раствора проходящему че-

тивление

 

 

 

рез него электрическому току

 

 

 

Показатель конси-

Ïà

Коэффициент

степенной функции, отображающей

стенции бурового рас-

 

зависимость касательного напряжения сдвига от

твора

 

 

 

градиента скорости сдвига в выбранном интервале

 

 

 

скоростей при течении бурового раствора

 

Показатель неньюто-

Показатель степени функции, отображающей зави-

новского поведения

 

симость касательного напряжения сдвига от гра-

бурового раствора

 

диента скорости сдвига при течении бурового рас-

 

 

 

твора

 

 

 

 

Показатель

 

седимен-

Величина, косвенно характеризующая стабильность

тации бурового рас-

 

бурового раствора и определяемая количеством дис-

твора

 

 

 

персной фазы, отделившейся от определенного объ-

 

 

 

 

ема бурового раствора в результате гравитационного

 

 

 

Äæ/(êã °Ñ)

разделения компонентов за определенное время

Удельная теплоем-

Количество теплоты, необходимой для нагревания

кость бурового рас-

 

единицы массы бурового раствора на один градус

твора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

Рис. 6.2. Классификационная схема промывки скважины

Ï ð î ä î ë æ å í è å ò à á ë. 6.1

 

 

 

Единица

 

 

Термин

 

физической

Определение

 

 

 

 

величины

 

 

Коэффициент

тепло-

Âò/(ì °Ñ)

Величина, характеризующая способность

бурового

проводности

бурового

 

 

раствора проводить теплоту, определяемая количест-

раствора

 

 

 

 

вом теплоты, проходящей в единицу времени через

 

 

 

 

 

единицу изотермической поверхности при темпера-

Термический коэффи-

 

турном градиенте, равном единице

 

 

Величина, характеризующая изменение объема бу-

циент объемного

ðàñ-

 

 

рового раствора с изменением температуры при по-

ширения

 

 

 

 

стоянном внешнем давлении и определяемая отно-

 

 

 

 

 

сительным изменением объема при нагревании на

 

 

 

 

 

1 К, отнесенного к объему бурового раствора при

 

 

 

 

 

данной температуре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ò à á ë è ö à 6.2

Основные термины и определения для технологического процесса промывки

 

скважины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термин

 

 

Определение

 

 

 

Промывка ствола скважины

Технологический процесс при строительстве скважины с

 

 

 

 

использованием бурового раствора

 

Приготовление бурового рас-

Комплекс технологических операций по созданию бурово-

твора

 

 

 

го раствора определенного типа из исходных компонентов

Смешивание компонентов буро-

Технологическая операция приготовления бурового рас-

вого раствора

 

 

 

твора, заключающаяся в соединении его исходных компо-

 

 

 

 

нентов

 

Диспергирование

компонентов

Технологическая операция приготовления бурового рас-

бурового раствора

 

 

твора, заключающаяся в измельчении его компонентов

Перемешивание бурового рас-

Технологическая операция приготовления и обработки,

твора

 

 

 

заключающаяся в равномерном распределении компонен-

 

 

 

 

тов в данном объеме бурового раствора и вовлечении

 

 

 

 

объема бурового раствора в движение

 

Дозированная подача компонен-

Технологическая операция приготовления,

обработки,

тов бурового раствора

 

утяжеления бурового раствора, заключающаяся в подаче

 

 

 

 

компонентов в зону смешивания в определенном количе-

 

 

 

 

стве во времени

 

Обработка бурового раствора

Комплекс технологических операций промывки ствола

 

 

 

 

скважины, заключающийся в регулировании свойств бу-

 

 

 

 

рового раствора химическими или физико-механическими

 

 

 

 

методами

 

Аэрация бурового раствора

Технологическая операция обработки бурового раствора,

 

 

 

 

заключающаяся во введении в него газообразных агентов

 

 

 

 

для понижения плотности

 

Химическая обработка бурового

Комплекс технологических операций обработки бурового

раствора

 

 

 

раствора химическими реагентами

 

Утяжеление бурового раствора

Технологическая операция обработки бурового раствора,

 

 

 

 

заключающаяся во введении в него утяжелителя для по-

 

 

 

 

вышения плотности

 

Прокачивание

бурового

раство-

Комплекс технологических операций промывки ствола

ра по стволу скважины

 

скважины, заключающийся в прокачивании бурового рас-

 

 

 

 

твора по схеме буровой насос − ствол скважины − буро-

 

 

 

 

вой насос

 

Подпор бурового раствора

Технологическая операция прокачивания бурового рас-

 

 

 

 

твора по стволу скважины, заключающаяся в принуди-

 

 

 

 

тельной подаче бурового раствора в приемную линию бу-

 

 

 

 

рового насоса

 

Закачивание бурового раствора

Технологическая операция прокачивания бурового рас-

 

 

 

 

твора по стволу скважины, заключающаяся в приемке и

 

 

 

 

нагнетании бурового раствора в скважину

 

Очистка бурового раствора

Комплекс технологических операций, заключающийся в

 

 

 

 

удалении примесей из бурового раствора

 

Очистка бурового

раствора от

Комплекс технологических операций, заключающийся в

шлама

 

 

 

удалении шлама из бурового раствора

 

 

 

 

 

 

 

 

102

Рис. 6.3. Классификационная схема технологического оборудования для промывки скважины

 

 

 

Ï ð î ä î ë æ å í è å ò à á ë. 6.2

 

 

 

 

Термин

 

 

Определение

Очистка бурового

раствора

îò

Технологическая операция очистки бурового раствора от

шлама сетками

 

 

шлама путем пропускания его через вибрирующую сетку

Очистка бурового

раствора

îò

Технологическая операция очистки бурового раствора от

шлама в отстойниках

 

шлама путем осаждения его в отстойниках

Очистка бурового

раствора

îò

Технологическая операция очистки бурового раствора от

шлама в гидроциклонах

 

шлама путем отделения его под действием инерционных

 

 

 

сил в гидроциклонах

Дегазация бурового раствора

 

Технологическая операция очистки бурового раствора по

 

 

 

удалению из него газообразного агента

Регенерация компонентов буро-

Комплекс технологических операций промывки ствола

вого раствора

 

 

скважины, заключающийся в извлечении исходных ком-

 

 

 

понентов из бурового раствора для последующего их ис-

 

 

 

пользования

Замена бурового раствора

 

Комплекс технологических операций промывки ствола

 

 

 

скважины, заключающийся в замещении всего рабочего

 

 

 

объема или его части другим буровым раствором

 

 

 

 

6.2. ФУНКЦИИ ПРОЦЕССА ПРОМЫВКИ СКВАЖИН

Технологический процесс промывки скважин должен быть спроектирован и реализован так, чтобы достичь лучших технико-эко- номических показателей бурения. При этом главное внимание необходимо уделять выполнению основных технологических функций и ограничений (табл. 6.3).

Часто стремление к качественному выполнению процесса промывки приводит к невыполнению ограничений. В этих случаях прежде всего

решаются оптимизационные задачи, цель которых – выбрать в

êàæ-

дом конкретном случае экономически наиболее выгодное сочетание

òåõ-

нологических показателей процесса промывки, обеспечивающих минимальную стоимость скважины и достижение поставленной цели при сохранении высокого качества объекта.

Одной из функций промывки является разрушение забоя скважины. Это требование не считается обязательным, так как основную роль в разрушении забоя играет долото. Однако и промывку нельзя считать второстепенной операцией при разрушении забоя, особенно при бурении

Ò à á ë è ö à 6.3

Функции и ограничения процесса промывки скважин

Функция

 

Ограничение

 

 

 

Разрушать забой

 

Не разрушать долото, бурильный инструмент и оборудо-

 

 

вание

Очищать забой от шлама и

Не размывать ствол скважины

транспортировать шлам на днев-

 

ную поверхность

 

 

Компенсировать избыточное

Не приводить к поглощениям раствора и не подвергать

пластовое давление флюидов

гидроразрыву пласты

Предупреждать обвалы

стенок

Не ухудшать проницаемость продуктивных горизонтов

скважины

 

 

Взвешивать компоненты раство-

Не приводить к высоким потерям гидравлической энер-

ðà è øëàì

 

ãèè

Сбрасывать шлам в отвал

 

Не сбрасывать в отвал компоненты бурового раствора

Смазывать и охлаждать

долото,

Не вызывать осыпей и обвалов стенок скважины

бурильный инструмент и обору-

 

дование

 

 

 

 

 

104

Соседние файлы в папке Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин