Расчет необходимого количества бурового раствора

для бурения скважины»

Количество бурового раствора, необходимое для бурения нефтяной или газовой скважины в нормальных условиях, можно определить из выражения:

V_P=2V_C+V_O.C+n_C²V_C, м³ (4.1)

где V_С – объем скважины заданной проектной глубины, м³; 2 – числовой коэффициент, учитывающий запас промывочной жидкости на буровой; V_О.С – объем очистной системы (желоба, очистные и приемные емкости), принимаемый в зависимости от геологических условий и глубины скважины равным 3-8 м³; n_C=2-3 – частота смены промывочной жидкости (при бурении в глинистых и малопрочных породах промывочную жидкость можно заменять чаще).

При бурении в условиях поглощения промывочной жидкости:

V_P’= V_P+V_П, м³ (4.2)

(V_П – потери промывочной жидкости, принимаемые 3-6% от объема скважины).

На основании обобщения и анализа большого числа фактических данных А.М. Яковлевым предлагается необходимый объем промывочной жидкости при колонковом бурении рассчитывать по формуле:

V_Р=k_СV_P’L_C , м³ (4.3)

где V_P’=(4,71-6,28)D² расход промывочной жидкости на 1 м бурения скважины диаметром D, м³; L_C – общий объем бурения с применением промывочной жидкости, м; k_С – коэффициент сложности, учитывающий различные геологические условия; для групп сложности I, II, III и IV устанавливаемых опытным путем значение k_С соответственно равны 1, 2, 4 более 5,5.

При бурении с промывкой глинистым раствором потребное количество глины в тоннах может быть рассчитано (если известна плотность глины и плотность раствора) по формуле:

G_Г=q_ГV_Р, т (4.4)

где q_Г – расход глины на 1 м³ раствора, т.

Масса глины m_г для приготовления 1 м³ бурового раствора с учетом влажности W:

, кг (4.5)

где ρ_Г плотность глины, ρ_Г = 2300-2600 кг/м³, ρ_В – плотность воды (1000 кг/м³); ρ_б.р – плотность бурового раствора, кг/м³; W – влажность глины, доли единицы (для инженерных расчетов принимается 0,05-0,1).

Объем бурового раствора для глубокого бурения скважины на нефть и газ:

V_Б.Р= V₁+V₂+V₃+K₃V₄, м³ (4.6)

где V₁ – объем приемных емкостей буровых насосов, V₁=10-40 м³; V₂ – объем циркуляционной желобной системы, V₂=4-7 м³; V₃ – требуемый объем бурового раствора, необходимый для механического бурения,

V₃=n₁L₁+n₂L₂+…n_nL_n , м³ (4.7)

V₄ – объем скважины, м³; К₃=2 – коэффициент запаса; L₁, L₂,…L_n – длины интервалов одного диаметра, м; n₁, n₂,…n_n – нормы расхода бурового раствора на 1 м проходки, м³ в зависимости от вида обсадной колонны, под которую ведется бурение, приводятся ниже:

Направление. . . . . . . . . . . . . . . . . .	2,76
Кондуктор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	2,53
Промежуточная. . . . . . . . . . . . . . . .	1,0
Хвостовик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	0,53
Эксплуатационная . . . . . . . . . . . . .	0,32

Задача 4.1. Скважину глубиной Z предполагается бурить в сложных геологических условиях при наличии в разрезе зон поглощений промывочной жидкости. Конструкция скважины: обсадная колонна диаметром d_ОК спускается на глубину Н; открытый ствол диаметром d₁ в интервале Н_и1 и диаметром d₂ в интервале Н_и2. Определить требуемое для бурения данной скважины количество промывочной жидкости (Vр и Vр').

Таблица 4.1 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
Z, м
Н, м
d1, мм
d2, мм
dОК, мм
Ни1, м	300-400	500-600	700-850	1000-1200	1300-1350	1600-1700	1800-1870	2200-2350	2400-2600	2500-2590
Ни2, м	400-500	600-800	850-1000	1200-1300	1350-1500	1700-1800	1870-2000	2350-2500	2600-2800	2590-3000
VП=4 % от объема скважины
Толщина стенки обсадной колонны 5 мм
Vос=3÷8

Практическая работа №5

«Расчеты при приготовлении и утяжелении буровых растворов»

Количество глины для приготовления бурового раствора зависит от ее качества, которое определяется показателем – выход раствора:

В_Р= , м³ (5.1)

Где m_Г – масса глины, m_Г=1000 кг; ρ_Г – плотность глины, ρ_Г=2300-2600 кг/м³; ρ_В – плотность воды, кг/м³; ρ_Б.Р – плотность бурового раствора, кг/м³.

Глинопорошки должны отвечать показателям, приведенным в таблице 5.1.

Применительно к комовым глинам основной показатель, по которому оценивают качество глиноматериала - это коллоидальность, характеризующая количество глины, необходимое для приготовления единицы объема глинистого раствора с условной вязкостью 25-30 с. В таблице 5.2 приводятся показатели, характеризующие качество глины плотностью 2500 кг/м³.

Таблица 5.1 – Требования к глинопорошкам

Показатели	Сорт
высший	I	II	III	IV
Выход бурового раствора из 1000 кг глинопорошка, м3					<6
Плотность бурового раствора, кг/м3					>1100
Влажность, % не более	6-8	6-8	6-8	6-8	6-8

Таблица 5.2 – Показатели глин плотностью 2500 кг/м³

Степень коллоидности глины	Плотность глинистого раствора, кг/м3	Объем глины для получения 1 м3 раствора, м3	Масса глины, требуемой для приготовления 1 м3 раствора, кг	Выход глинистого раствора из 1000 кг глины, м3
Высококоллоидальная	1040-1060	0,03-0,04	70-100	15-10
Коллоидная	11060-1150	0,04-1,10	100-250	10-4
Среднеколлоидальная	1150-1300	0,10-0,20	250-500	4-2
Малоколлоидальная	1300-1400	0,20-0,27	500-675	2-1,5
Тяжелая	1400-1500	0,27-0,33	675-825	1,5-1,2

Масса глины без учета влажности, необходимая для приготовления требуемого количества глинистого раствора, определяется по формуле:

, кг (5.2)

где V_Б.Р - объем бурового раствора.

Масса глины без учета влажности, необходимая для приготовления 1 м³ бурового раствора, определяется по формуле 5.2 при V_Б.Р = 1 м³.

Масса воды, необходимая для приготовления 1 м³ бурового раствора:

, кг (5.3)

Концентрация глины в буровом растворе с учетом плотности исходных материалов определяется в %:

(5.4)

Масса глины, необходимая для внесения в буровой раствор с целью увеличения его концентрации находится:

, кг (5.5)

где К_Т – требуемая концентрация раствора.

Плотность приготовленного глинистого раствора заданной концентрации:

, в кг/м³ (5.6)

Необходимый объем глины:

, м³ (5.7)

Объем воды определяется из формулы:

, м³ (5.8)

Наиболее низкая плотность бурового раствора обеспечивается при использовании бентонитовых глин (ρ_Б.Р = 1050-1080 кг/м³). Плотность растворов, приготовляемых из обычных глин, составляет 1150-1250 кг/м³. Для снижения плотности готовят растворы на углеводородной основе или добавляют воду. Объем жидкости, требуемой для снижения плотности раствора ρ_Б.Р до ρ_Б.Р’ рассчитываются из выражения:

, м³ (5.9)

где V₀ – начальный объем бурового раствора, м³; ρ_Б.Р’ - требуемая плотность раствора.

Еще большее снижение плотности обеспечивается аэрированием раствора, т.е. вводом в качестве дисперсной фазы воздуха или газа.

Основное средство повышения плотности раствора свыше 1400 кг/м³ – применение утяжелителей (инертных порошкообразных материалов).

Утяжелители в зависимости от плотности подразделяются на три группы (таблица 5.3)

Таблица 5.3 – Характеристики утяжеляющих материалов

для буровых растворов

Группа	Наименование	Плотность, кг/м3
I	Малоколлоидные глины, мергели, мел, известняки	2600-2900
II	Барит, Гематит, Магнетит
III	Ферромарганец, Феррофосфор, Концентраты свинцовых руд и др.	6000-7000

Количество утяжелителя для повышения плотности 1 м³ глинистого раствора до заданной величины определяется из выражения:

, кг (5.10)

где ρ_У и ρ_УР – плотность соответственно утяжелителя и утяжеленного бурового раствора, кг/м³.

В случае применения влажного утяжелителя, требуемое количество рассчитывается по формуле:

, кг (5.11)

Глинистый раствор перед утяжелением должен обладать условной вязкостью не менее 24 с; величина СНС должна быть не менее 4-5 Па, а водоотдача – 10 см³ за 30 мин.

Количество утяжелителя, необходимое для утяжеления глинистого раствора заданного объема:

, кг (5.12)

Плотность утяжеленного глинистого раствора после добавки в исходный объем глинистого раствора заданного количества утяжелителя:

, кг/м³ (5.13)

Задача 5.1. Определить массу глины (без учета и с учетом влажности W=0,1) и воды, которые потребуются для приготовления V_Б.Р – 1 м³ глинистого раствора плотностью ρ_Б.Р, если плотность глины ρ_гл.

Таблица 5.4 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρг, кг/м3
ρБ.Р, кг/м3

Задача 5.2. Найти содержание глины (в %) в глинистом растворе если известна его плотность.

Таблица 5.5 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ΡБ.Р, кг/м3
ρгл, кг/м3

Задача 5.3.Плотность глинистого раствораρ_Б.Р с концентрацией глины К₁ (%) требуется увеличить до концентрации К₂ (%;). Какое количество глины необходимо добавить если известен объем бурового раствора V_БР, м³.

Таблица 5.6 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
К1, %
К2, %
ρБ.Р, кг/м3
VБР, 10-3 м3	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9

Задача 5.4Необходимо приготовить V_БР=1·10^{-3 м3}. глинистого раствора для лабораторных целей из бентонитовой глины и пресной воды. Определить плотность раствора и необходимое количество каждого компонента, если содержание глины плотностью ρ_гл (кг/м³) в растворе Кг (%).

Таблица 5.7 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
К, %
ρгл, кг/м3

Задача 5.5. Требуется снизить плотность раствора от ρ_БР, кг/м³ до ρ_БР’, кг/м³, чтобы предотвратить поглощение. Рассчитать объемы воды и нефти, необходимые для снижения плотности бурового раствора, если начальный объем раствора V₀ (м³), а плотность нефти ρ_Н (кг/м³).

Таблица 5.8 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρБР, кг/м3
ρоБР’, кг/м3
ρН, кг/м3
V0, м3

Пример 5.6. Определить массу утяжелителя плотностью ρ_У, кг/м³, необходимое для утяжеления 1 м³ глинистого раствора от ρ_БР, кг/м³ до ρ_БР’, кг/м³.

Таблица 5.9 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρБР, кг/м3
ρБР’, кг/м3
ρУ, кг/м3

Пример 5.7. В процессе бурения скважины объем бурового раствора плотностью ρ_БР, кг/м³ составлял V_БР, м³. Сколько потребуется барита плотностью ρ_У, кг/м³, чтобы повысить плотность раствора до ρ_БР’, кг/м³.

Таблица 5.10 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρБР, кг/м3
ρБР’, кг/м3
VБР, м3
ρУ, кг/м3

Пример 5.8.К объему глинистого раствора V_БР, м³ плотностью ρ_БР, кг/м³ было добавлен барит массой (кг). Какой будет плотность бурового раствора после добавки утяжелителя и на сколько увеличится его объем?

Таблица 5.11 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρБР, кг/м3
VБР, м3
m, кг
ρУ, кг/м3

Практическая работа №6

«Расчеты при регулировании свойств буровых растворов»

Расчеты количества химических реагентов, используемых для регулирования свойств глинистых растворов, базируются на том условии, что оптимальным является такое их количество, добавление которого при меньшем расходе и невысокой стоимости дает наиболее эффективное изменение основных технологических параметров. Оптимальная рецептура реагента для обработки обычно подбирается опытным путем в лаборатории.

Расчет требуемой массы бурого угля и каустической соды для приготовления УЩР следует начинать с определения влажности угля:

, % (6.1)

где b и a - масса влажного и просушенного угля, кг.

Масса влажного бурого угля, необходимая для приготовления реагента:

кг (6.2)

где К_у – концентрация сухого бурого угля в 1 м³ реагента по рецепту, %; V_УЩР – объем приготовляемого реагента, м³.

Объем раствора каустической соды для приготовления единицы объема реагента по установленной рецептуре:

, м³ (6.3)

где К_К.С- концентрация каустической соды в реагенте, %; m_К.С – количество каустической соды в растворе, кг.

Объем воды, необходимый для приготовления УЩР:

м³ (6.4)

где ρ_У – плотность бурого угля, кг/м³, ρ_У =1200 кг/м³.

Приготовленный УЩР сливают в глинистый раствор, циркулирующий через желоба, с таким расчетом, чтобы весь объем, который нужно добавить в скважину, вытек за время, необходимое для совершения полного цикла.

Скорость, с которой реагент должен вытекать из спускного приспособления отстойника:

, л/мин (6.5)

где t_Ц – время цикла (т.е. время, необходимое для того, чтобы объем раствора совершил полный период циркуляции), мин.

Масса крахмала m_К и сухой каустической соды m_К.С. для приготовления крахмального реагента рассчитываются по формулам:

, кг (6.6)

, кг (6.7)

где V_К – объем приготовляемого реагента, т.е. объем воды, в который засыпается крахмал, м³; К_К = 8-10% - концентрация крахмала в реагенте; К_К.С. - = 1,0-1,4% - концентрация сухой каустической соды на рассчитанное количество крахмала (в сильноминерализованных водах К_К.С. = 2-4%).

Объем раствора ССБ, необходимого для приготовления реагента ССБ, рассчитываются по формуле:

, м³ (6.8)

где К_ССБ – содержание сухого вещества ССБ в реагенте по рецепту, %;

V_CСБ – объем реагента, который следует приготовить, м³; К_СВ – содержание сухого вещества ССБ в растворе ССБ, % (обычно К_СВ = 30-50%).

Требуемое количество химических реагентов определенного вида для обработки буровых растворов в интервалах бурения L₁, L₂…..L_n находят по формуле:

, м³ (6.9)

где - исходный объем раствора на буровой до обработки его химическим реагентом, соответствующий забою скважины, с которого начата химическая обработка, м³; K, а, b – опытные коэффициенты, значения которых принимаются в зависимости от типа химического реагента, назначения химической обработки и свойств раствора (таблица 6.1).

При получении буровых растворов с низкой температурой замерзания масса поваренной соли, необходимая для приготовления водного раствора различной степени солености, определяется по формуле:

, кг (6.10)

где К_С – содержание соли %.

Таблица 6.1 - Сведения о значениях опытных коэффициентов для

различных химических реагентов

Тип химического реагента или добавки	Дополнительные условия	К	а	b
ССБ, КССБ, КМЦ	Соленость фильтрата, %: < 2	0,09 0,04 0,025	0,001 0,001 0,001	1,0 1,0 1,0
УЩР, ТЩР	приготовление: на пресной воде на морской воде	0,06 0,06	0,001 0,001	0,5 1,0
Кальцинированная сода	-	0,01	0,001	1,0
Крахмал	Соленость фильтрата 15% водоотдача, см3/30 мин:	0,004 0,005 0,06 0,0125	0,001 0,001 0,001 0,001	1,0 1,2 1,4 1,6
Нефть	Для борьбы с прихватами и затяжками инструмента	0,1	0,13	1,0

Значение К_С выбирается в зависимости от требуемой температуры замерзания бурового раствора (таблица 6.2).

Таблица 6.2 – Значение температуры замерзания бурового раствора в зависимости от концентрации соли

Концентрация NaCl, %	Температура замерзания раствора, 0С	Концентрация NaCl, %	Температура замерзания раствора, 0С
0,1 1,5 2,9 4,3 5,6 7,0	-0,9 -1,8 -2,6 -3,5 -4,4	14,9 16,2 17,5 18,8 20,0 22,4	-11,0 -12,2 -13,6 -15,1 -18,2 -20,0
8,3 9,6 11,0 12,3	-5,4 -6,4 -7,5 -8,5	23,1 23,7 24,9 26,1	-21,2 -17,2 -9,5 -1,7
13,6	-9,8	56,6

Если применяется глинистый раствор, то качество соли, необходимое для доставления к раствору, определяется следующим образом.

Вычисляют массу поваренной соли, которую надо добавить в 1 м³ раствора:

, кг (6.11)

где - масса 1 м³ глинистого раствора, кг.

Объем воды, необходимый для приготовления насыщенного раствора соли (в глинистый раствор соль добавляют в виде насыщенного раствора):

, м³ (6.12)

где - количество соли, необходимое для насыщения 1 м³ воды, кг.

Дополнительное количество соли , необходимое для получения требуемой концентрации и связанное с добавлением к глинистому раствору воды, составит:

, кг (6.13)

Общая масса соли для получения насыщенного раствора:

, кг (6.14)

Общий объем воды для получения насыщенного раствора соли:

, л (6.15)

При получении аэрированных бесструктурных буровых растворов необходимая масса ПАВ для обработки определяется:

, кг (6.16)

где К₁ – заданная концентрация ПАВ, %;

К₂ – концентрация активного вещества ПАВ, % (таблица 6.3).

Таблица 6.3 - Содержание активных веществ в ПАВ

Наименование	Содержание активных веществ в ПАВ, %
ОП-7 ОП-10 Прогресс Сульфонат Сульфонол Бурол	99,5 99,5 89,5

Пример 6.1.Определить количество бурого угля с влажностью W_у, %, каустической соды определенной концентрации (m_К.С., %) и воды которое необходимо для приготовления V_ущр реагента УЩР.

Таблица 6.4 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
Wу, %
mК.С., %
Vущр, м3
Ку, %
Кк.с., %	2,8	2,9		3,1	3,2	3,3	3,4	,5	3,6	3,7
ρу, кг/м3

Пример 6.2.Определить массу крахмала и сухой каустической соды для приготовления реагента объемом Vк (м³) с концентрацией крахмала Кк (%) и сода Кк.с. (%) от массы крахмала.

Таблица 6.5 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
Vк, м3
Кк, %
Кк.с., %	0,8	0,9	1,0	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8

Пример 6.3.Бурение скважины предполагается вести с использованием глинистого раствора плотностью ρ_б.р. (кг/м³) в районе распространения многолетнемерзлых пород со сложными геологическими условиями. Определить общее количество соли и воды, если требуемая температура замерзания раствора составляет Т, ⁰С.

Таблица 6.6 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρб.р., кг/м3
Т, 0С	-0,9	-1,8	-2,6	-3,5	-4,4	-5,4	-6,4	-7,5	-8,5	-9,8
qс, кг*	0,36
*Примечание: qс - количество соли, необходимое для насыщения 1 м3 воды, кг

Пример 6.4.Объем обрабатываемого с помощью ПАВ раствора плотностью ρ_б.р. (кг/м³) составляет V (м³). Определить необходимую массу ПАВ при концентрации К₁ (%).

Таблица 6.7 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
ρб.р., кг/м3
V, м3
К1, %
ПАВ	ОП-7	ОП-10	Про-гресс	Сульфо-нат	Сульфо-нол	Бу-рол	ОП-7	ОП-10	Про-гресс	Сульфо-нат

Практическая работа №7