Строительство наклонно-направленной эксплуатационной скважины №12 на площади Северо-Прибрежная

 

PД=αЗ·РШ·FK (2.15)

 

где PД – осевая нагрузка на долото, Н;

αЗ - коэффициент, учитывающий изменение твердости горных пород в конкретных условиях забоя, α = 0,33 1,59, для практических расчетов принимается αз= 1,0;

FK – площадь контакта зубьев долота с забоем, которую возможно определить по формуле В.С.Фёдорова

 

Fк = (Dд/2)∙η·δ (2.16)

 

где Dд – диаметр долота, см

Воспользовавшись данными из таблицы 2.5, а так же формулами 2.15 и 2.16 определим осевые нагрузки для каждого интервала механического бурения.

Рассчитаем осевую нагрузку для интервала 0-649 м:

Fк= (0,3937/2)∙1,21∙1,5∙10-3 = 3,573∙10-4 м2.

Тогда PД=1,0·100·3,573·10-4 = 36 кН.

Рассчитаем осевую нагрузку для интервала 649-1027 м:

Fк= (0,3937/2)∙1,21∙1,5∙10-3 = 3,573∙10-4 м2.

Тогда PД=1,0·150·3,573·10-4 = 54 кН.

Для интервала 1027-2539 м осевая нагрузка будет равна:

Fк= (0,2953/2)∙1,07∙1,5∙10-3 = 2,37∙10-4 м2.

Тогда PД=1,0·150·2,37·10-4 = 36 кН.

Рассчитаем осевую нагрузку для интервала 2539-2846 м:

Fк= (0,2159/2)∙1,02∙1,5∙10-3 = 3,573∙10-4 м2.

PД=1,0·150·3,573·10-4 = 53,6 кН.

Для интервала 2846-3147 м осевая нагрузка будет равна:

Fк= (0,1651/2)∙0,98∙1,5∙10-3 = 1,213∙10-4 м2.

PД=1,0·170·1,213·10-4 = 20,6 кН.

Исходя из вышеприведенных расчетов и опираясь на опыт ранее пробуренных скважин на площади Северо-Прибрежная, принимаем осевые нагрузки на долото по интервалам бурения следующие:

интервал 0-649 м: 30-40 кН;

интервал 649-1027 м: 50-60 кН;

интервал 1027-2539 м: 30-40 кН;

интервал 2539-2846 м: 50-60 кН;

интервал 2846-3147 м: 20-30кН.

 

2.3.3 Расчёт частоты вращения  долота

Эффективное разрушение горной породы при бурении происходит при условии, что время контакта рабочих элементов долота с породой было не меньше времени, которое необходимо для того, чтобы нагрузка достигла такой величины, которая необходима для разрушения породы.

Время контакта зуба долота с породой для шарошечных долот определяется шагом зуба и скоростью вращения долота.

Если время контакта будет меньше времени разрушения породы, то процесс деформации будет протекать неполностью, и разрушение будет носить усталостный характер, несмотря на то, что осевая нагрузка будет достаточной.

Частота вращения трёхшарошечного долота рассчитывается по трем показателям:

- рекомендуемой линейной скорости  на периферии долота;

- продолжительности контакта зубьев  долота с горной породой;

- стойкости опор долота.

Расчёт частоты вращения долота по рекомендуемой линейной скорости на периферии долото определяется по формуле:

 

 (2.17)

 

где n – частота вращения, об/мин;

DД – диаметр долота, м;

VЛ – рекомендуемая линейная скорость на периферии долота, м/с.

Рекомендуемая линейная скорость зависит от твёрдости пород:

- для пород категории М VЛ = 2,8 3,4 м/с;

- для пород категории МС VЛ = 1,8 2,8 м/с.

Рассчитываем частоту вращения долота при бурении под кондуктор:

 

 об/мин.

 

Рассчитаем частоту вращения долота при бурении под промежуточную колонну:

 

 об/мин.

 

Определим частоту вращения долота при бурении под потайную колонну:

 об/мин.

Частота вращения долота при бурении под эксплуатационную скважину будет составлять:

 об/мин.

Расчёт частоты вращения долото по стойкости опор проводится по формуле:

 

 (2.18)

 

где α – коэффициент, учитывающий свойства горных пород (для пород категории М α = 0,7-0,9; для пород категории МС α = 0,6-0,8);

Т0 -постоянная величина, характеризующая стойкость опоры долота, ч.

Т0 определяется по формуле

Т0 = 0,0935·DД (2.19)

где DД – диаметр долота, мм.

Таким образом, используя формулы 2.18 и 2.19 возможно определить частоту вращения долота для каждого интервала.

Для интервала 0-1027 м частота вращения будет составлять:

 

 об/мин.

 

Частота вращения долота при бурении в интервале 1027-2539 м будет равна:

 

 

 об/мин.

 

Для интервала бурения 2539-2846 частота вращения долота будет составлять:

 об/мин.

Частота вращения долота при бурении в интервале 2846-3147 м будет равна:

 об/мин.

Расчёт частоты вращения долота по минимальной продолжительности контакта зуба долота с породой (максимальная частота вращения) проводится по формуле:

 

 (2.20)

 

где z – число зубьев на периферийном венце шарошки;

τmin – минимальное время контакта зуба долота с породой, мкс;

- для упруго-пластичных пород 5-7 мкс;

- для пластичных пород 3-6 мкс.

dШ – диаметр шарошки, мм.

Отношение диаметра шарошки к диаметру долота dШ/DД обычно принимается равным 0,65.

Рассчитаем частоту вращения долота по формуле 2.20 для интервала 0-1027 м:

 об/мин.

Частота вращения долота для интервала 1027-2539 м будет равна:

 об/мин.

Для интервала 2539-2846 м частота вращения будет равна:

 об/мин.

Частота вращения долота для интервала 2846-3147 м:

об/мин.

Исходя из того, что бурение в интервалах 0-649 м и 2539-3147 м будет проходить роторной компоновкой, а в интервале 649-2846 м с помощью винтового забойного двигателя, а также руководствуясь опытом бурения скважин на данной площади и технико-экономическими показателями, принимаем следующие наиболее оптимальные значения частоты вращения долота:

- интервал 0-1027 м: 80-100 об/мин;

- интервал 1027-2539 м: 100-120 об/мин;

- интервал 2539-2846 м: 100-120 об/мин;

- интервал 2846-3147 м: 100-120 об/мин.

При использовании расширителя (интервалы 2539-2846 м и 2846-3147 м) частоту вращения долота необходимо ограничивать в пределах 60-80 об/мин.

 

2.3.4 Выбор типа забойного  двигателя

Основные требования к забойным двигателям:

- диаметр забойного двигателя  должен лежать в интервале 80 – 90% от DД;

- расход промывочной жидкости  должен быть близким к номинальному  расходу забойного двигателя;

- крутящий момент, развиваемый  забойным двигателем, должен обеспечить  эффективное разрушение горной  породы на забое скважины;

- забойный двигатель должен  обеспечивать частоту вращения  долота, находящуюся в пределах или не менее значений, необходимых для разрушения горных пород;

- диаметр и жесткость гидравлического  забойного двигателя должны соответствовать  требованиям достижения заданной  траектории ствола скважины;

- подача насосов, при которой  двигатель работает в заданном  режиме, должна удовлетворять условиям  промывки скважины.

Диаметр гидравлического двигателя рассчитывается по формуле:

 

DГ = (0,8 0,9)DД (2.21)

 

где DГ – диаметр гидравлического забойного двигателя, м;

DД – диаметр долота, м.

Момент, необходимый для разрушения горной породы рассчитывается по формуле:

 

МР = МО + МУД·GО (2.22)

 

где МР - момент необходимый для разрушения горной породы, Н·м;

МО - момент необходимый для вращения ненагруженного долота, Н·м;

МУД - удельный момент долота, Н·м /кН;

GО – осевая нагрузка на долото в интервале бурения, кН.

Момент необходимый для вращения не нагруженного долота определяется по формуле:

 

МО == 550·Dд (2.23)

 

где DД – диаметр долота, м.

Удельный момент на долоте МУД определяется по формуле:

 

 

Муд = QОП + 120·Dд (2.24)

 

где Qоп – опытный коэффициент (Qоп = 1…2 Н·м/кН), для расчетов принимается Qоп = 2 Н·м/кН.

На основании вышеперечисленных формул производятся расчеты для выбора гидравлических забойных двигателей по интервалам бурения.

Для интервала 649-1027 м (бурение с набором зенитного угла) диаметр забойного двигателя будет равен:

DГ = (0,8 0,9)·0,3937 = 0,31496 0,3543м.

Исходя из опыта работ на площади Северо-Прибрежная, а также руководствуясь оптимальными технико-экономическими показателями бурения скважины диаметр забойного гидравлического двигателя принимается равным 0,240 м.

Тогда момент необходимый для вращения не нагруженного долота диаметром 393,7 мм равен:

МО = 550·0,3937 = 216,5 Н·м.

Удельный момент на долоте 295,3 мм. равен:

МУД = 2 + 120·0,3937 = 49,24 Н·м.

Необходимый момент для разрушения горных пород равен:

МР = 216,5 + 49,24·60 = 3171 Н·м.

Определим диаметр забойного двигателя для интервала 1027-2539 м (бурение со стабилизацией зенитного угла):

DГ = (0,8 0,9)·0,2953 = 0,2362 0,2658 м.

Руководствуясь высокими технико-экономическими показателями для бурения в интервале 1027-2539 м выбираем забойный двигатель иностранного производства “Trudrill” с диаметром 240 мм.

Определим момент необходимый для вращения не нагруженного долота диаметром 295,3 мм:

МО = 550·0,2953 = 162,4 Н·м.

Удельный момент на долоте 295,3 мм. равен:

МУД = 2 + 120·0,2953 = 37,4 Н·м.

Необходимый момент для разрушения горных пород равен:

МР = 162,4 + 37,4·40 = 1659 Н·м.

Рассчитаем диаметр долота для интервала бурения 2539-2846 (бурение со стабилизацией зенитного угла под потайную колонну):

DГ = (0,8 0,9)·0,2159 = 0,1687 0,1943 м.

Для получения высоких технико-экономических показателей при бурении в интервале 2539-2846 м выбираем забойный двигатель иностранного производства “Trudrill” с диаметром 172 мм.

Определим момент необходимый для вращения не нагруженного долота диаметром 295,3 мм:

МО = 550·0,2159 = 118,7 Н·м.

Удельный момент на долоте 295,3 мм. равен:

МУД = 2 + 120·0,2159 = 27,9 Н·м.

Необходимый момент для разрушения горных пород равен:

МР = 118,7 + 27,9·60 = 1792,7 Н·м.

Технические характеристики забойных двигателей, выбранных для применения при строительстве скважины, приведены в таблице 2.6.

 

Таблица 2.6 – Технические характеристики забойных двигателей

Параметры	Шифр двигателя
	Д1-240	Trudrill
		240	172
Расход жидкости, л/с Крутящий момент, кН·м Частота вращения, об/мин Перепад давления, МПа Длина, м Масса, кг Наружный диаметр, мм	50 10 135 6,8 7,57 1746 240	51 4,55 200 4,34 7,9 3790 238	40 6,41 105 3,32 6,7 3480 171

 

2.3.5 Выбор компоновки и расчёт  бурильной колонны

Бурильная колонна является связующим звеном между долотом, находящимся на забое скважины, и буровым оборудованием, расположенным на поверхности.

Компоновка бурильной колонны в общем случае включает в себя породоразрушающий инструмент, керноотборный инструмент, забойный двигатель, УБТ, маховики, калибраторы, центраторы, стабилизаторы, расширители, переводники, бурильные трубы и ведущую трубу.

Проектирование колонны бурильных труб (КБТ) заключается в выборе оптимального варианта из множества допустимых. За оптимальную КБТ принимается такая, вес которой минимален, и используются трубы низких групп прочности.

При создании нагрузки на долото частью веса бурильной колонны, нижняя часть бурильной колонны сжата, верхняя растянута, так что наибольшие сжимающие нагрузки действуют в самом нижнем сечении колонны. На некотором расстоянии от забоя располагается нейтральное сечение.

Если всю нагрузку на долото создавать лишь весом бурильных труб, то изгибающие напряжения могут достигать значительных величин, особенно в местах кавернообразований, и представлять опасность для целостности труб, герметичности резьбовых соединений и т.д. Поэтому следует увеличить продольную жесткость низа колонны, путем резкого увеличения диаметра и толщины стенок на этом участке. Такими трубами являются утяжеленные бурильные трубы.

Применением утяжеленных бурильных труб достигается:

– передача достаточно большой нагрузки на долото при малой длине УБТ;

– увеличение осевого момента инерции и осевого момента сопротивления;

– снижение прогиба и напряжения от продольного изгиба.

При применении УБТ в компоновке низа бурильной колонны благодаря большой жесткости предупреждается резкое искривление ствола скважины.

Расчет бурильной колонны производится согласно действующей инструкции и включает расчет УБТ, непосредственно бурильных труб, замковых соединений, допустимых избыточных наружных и внутренних давлений очистного агента, а также максимальной глубины спуска колонны на клиновых захватах в соответствии с принятой конструкцией и запроектированными параметрами режима бурения.

Бурение интервала 0-649 м осуществляется долотом, диаметр которого равен 393,7 мм. В соответствии с принятыми условиями бурения и диаметре долота 393,7 мм принимаем наружный диаметр Д01 основной ступени УБТ – 178 мм. Выбираем УБТС 178 90 со следующими характеристиками: диаметр внутренний d01 равен 90 мм, вес 1 п.м. трубы q01 = 1,56 кН; длина трубы 12 м.

Жесткость на изгиб основной ступени УБТ должна быть не меньше жесткости обсадной колонны, под которую ведется бурение, в противном случае при спуске обсадной колонны возможны посадки. Так как УБТ и трубы обсадной колонны стальные, то соответствие по жесткости определим по формуле [11]: