Проектирование состава и качества бурового раствора

В курсовом проекте по дисциплине «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» вид раствора, его состав и такие параметры как фильтрация, СНС, содержание песка принимаются без обоснования и те, которые применялись на предприятии, где проходила производственная практика. Здесь рассчитывается только плотность раствора, необходимая для предотвращения проявлений. Правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности оговорено, что гидростатическое давление в скважине при глубине до 1200 м должно быть больше пластового на 10%, а при больших глубинах – 5%. Отсюда требуемая плотность раствора ρ может быть определена по формулам

, (6.1)

при глубине до 1200 м,

, (6.2)

при больших глубинах.

В этих формулах g – ускорение свободного падения; H – глубина скважины по вертикали; P_пл – пластовое давление.

Величина пластового давления берется из геологических материалов, собранных на производственной практике.

В проекте приводятся данные по параметрам бурового раствора для всех интервалов.

Выбор и обоснование типа забойного двигателя

Эта задача может иметь два решения: сначала выбирается гидравлический забойный двигатель, а затем проводится поверочный расчет возможности его применения, или определяются требуемые энергетические характеристики, и по ним производится выбор двигателя из тех, которые выпускаются промышленностью.

При выборе двигателя прежде всего определяется его оптимальный наружный диаметр D из соотношения D = (0,84 – 0,92) D_с. Далее определяется требуемый удельный момент m на долоте, характеризующий функциональную связь между крутящим моментом М на долоте и осевой нагрузкой G на породоразрушающий инструмент, т.е.

М = m · G. (7.1)

Величина удельного момента зависит от типа долота, его диаметра, физико-механических свойств горных пород и ориентировочно может быть принята в соответствии с табл. 7.1. При этом большие значения берутся для долот большого диаметра и в пластичных породах.

Таблица 7.1. Значения удельных моментов на долоте

Регион	Тип долота	Удельный момент, кН·м
Западная Сибирь	Трехшарошечное	0,010-0,013
АТП	0,040-0,050
Урало-Поволжье	Трехшарошечное	0,004-0,008
Республика Коми	Алмазное	0,016-0,045
АТП	0,030-0,045

В процессе бурения должен быть обеспечен рабочий (экстремальный) режим двигателя, соответствующий максимуму его мощности, что учитывается коэффициентом запаса крутящего момента К_м. Этот коэффициент определяет тормозной момент М_т, т.е.

М_т = k_м · m · G. (7.2)

Для быстроходных забойных двигателей с частотой вращения более 300 об/мин k_м = 2,0 – 2,5, для низкооборотных винтовых забойных двигателей k_м = 2,5 – 3,0.

Величина осевой нагрузки G в формуле (7.2) принимается в соответствии с проведенными ранее расчетами (раздел 4).

По рассчитываемому моменту и с учетом конкретных условий бурения выбирается забойный двигатель. В пояснительной записке приводятся обоснования по выбору забойных двигателей, их преимущества перед другими, и краткие технические характеристики.

Технические характеристики некоторых выпускаемых отечественной промышленностью гидравлических забойных двигателей приведены в табл. 7.2., 7.3.

Одним из недостатков турбобура как двигателя является высокая частота вращения выходного вала при относительно низком моменте. Улучшить технические характеристики турбобура можно за счет применения редукторных вставок. Такой забойный двигатель состоит из турбинных секций, редуктора и шпинделя. Сам редуктор выполняется в отдельном корпусе с зубчатой планетарной передачей и, как правило, маслонаполнен. В компоновке забойного двигателя редукторов может быть несколько. Наиболее распространен редукторный турбобур ТРМ – 195 с редуктором РМ – 195. Этот редуктор может использоваться с серийными турбинными секциями и шпинделем, и применялся при бурении Кольской сверхглубокой скважины.

Таблица 7.2. Технические характеристики турбобуров

Показатель

Т12М3Б-240

Т12РТ-240

ЗТСШ-172

ЗТСШ-195

ЗТСШ-195ТЛ

ЗТСШ1-172

ЗТСШ1-195

А6Ш

А7Ш

А9Ш

А6ГТШ

А7ГТШ

А9ГТШ

Наружный диаметр корпуса, мм

Длина, мм

Масса, кг, не более

Общее число секций

Продолжение табл. 7.2.

Показатель	Т12М3Б-240	Т12РТ-240	ЗТСШ-172	ЗТСШ-195	ЗТСШ-195ТЛ	ЗТСШ1-172	ЗТСШ1-195	А6Ш	А7Ш	А9Ш	А6ГТШ	А7ГТШ	А9ГТШ
В том числе:
- турбинных
- с турбинами и решетками гидродинамического торможения	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- шпиндельных	-	-
Число ступеней в турбобуре:
- турбин
- решеток гидродинамического торможения	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Присоединительная резьба (ГОСТ 5286):
- к бурильной колонне	З-171	З-189	З-121	З-147	З-147	З-121	З-147	З-121	З-147	З-171	З-121	З-147	З-171
- к долоту	З-152	З-171	З-121	З-121	З-117	З-117	З-117	З-117	З-117	З-152	З-117	З-117	З-152
Расход жидкости (воды), л/с	50-55	50-55	18-20	22-24	40-45	20-25	30-35	20-25
Момент силы на выходном валу, Н·м:
- на тормозном режиме	4000-4800	4000-5100	1760-2180	2600-3100	3600-4600	2000-3200	2600-3600	1360-2160
- на рабочем режиме	2000-2400	2000-2550	880-1090	1300-1550	1800-2300	1000-1600	1300-1800	680-1200
Частота вращения выходного вала, об/мин:
- в режиме холостого хода	1320-1450	1320-1530	900-1000	970-1060	690-780	1010-1260	800-935	1060-1330			-	-	-
В рабочем режиме	660-725	660-760	690-740	725-770	350-390	500-630	400-480	485-550
Перепад давления, МПа:
- в режиме холостого хода	4,0	3,8	4,3	5,0	3,0	6,0	3,5	5,5	8,2	6,8	4,7	7,2	5,8
- в рабочем режиме	4,5	5,4	5,4	6,0	4,0	9,5	5,0	4,3	-	-	-	-	-

Таблица 7.3. Технические характеристики винтовых забойных двигателей

Наименование показателей	D4-195	D2-195	DУ-195	DЗM-195	D1-240	D1-176	D2-176	D5М-176	D1-172	DЗМ-172	D5-172
Диаметр корпуса наружный, мм
Длина, мм:
- двигателя без клапана
- шпинделя до искривления	-	-		-	-	-	-	-	-	-	-

Продолжение табл. 7.3.

Наименование показателей	D4-195	D2-195	DУ-195	DЗM-195	D1-240	D1-176	D2-176	D5М-176	D1-172	DЗМ-172	D5-172
- активной части статора
Присоединительные резьбы по ГОСТ 5286:
- к долоту	З-117	З-117	З-117	З-117	З-152	З-117	З-117	З-117	З-117	З-117	З-117
- к бурильным трубам	З-147	З-147	З-147	З-147	З-171	З-147	З-147	З-147	З-147	З-147	З-147
Диаметры применяемых долот, мм	215,9-244,5	215,9-224,5	215,9-244,5	215,9-244,5	269,9	190,5-215,9	190,5-215,9	190,5-215,9	190,5-215,9	190,5-215,9	190,5-215,9
Расход бурового раствора, м3/с	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035	0,030-0,050	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035	0,025-0,035
Момент силы на выходном валу, кН·м
- на тормозном режиме	4,7-5,6	7,6-10,0	7,6-10,0	9,6-12,4	12,0-18,0	4,7-5,6	6,0-8,0	10,0-14,0	4,7-5,6	9,6-12,4	6,0-8,0
- на рабочем максимальном	3,8-4,5	5,2-7,0	5,2-7,0	7,7-9,9	10,0-14,0	3,8-4,5	4,5-6,0	9,0-12,0	3,8-4,5	7,7-9,9	4,5-6,0
Частота вращения выходного вала, с-1
- на режиме холостого хода	4,6-5,4	1,9-2,5	1,9-2,5	1,9-2,5	1,5-2,5	4,6-5,4	1,9-2,5	4,2-5,1	4,6-5,4	1,9-2,5	1,9-2,5
- на рабочем режиме	3,7-4,3	1,5-1,9	1,5-1,9	1,4-1,9	1,2-2,2	3,7-4,3	1,3-1,8	3,4-4,0	3,7-4,3	1,4-1,9	1,3-1,8
Перепад давлений, МПа
- на режиме холостого хода	1,6-1,8	1,2-1,8	1,2-1,8	1,6-2,5	1,5-3,0	1,6-1,8	1,5-2,0	2,4-3,4	1,6-1,8	1,6-2,5	1,5-2,0
- на рабочем режиме	6,3-7,2	4,3-6,7	4,3-6,7	6,5-9,8	6,0-8,0	6,3-7,2	4,5-7,0	9,0-13,0	6,3-7,2	6,5-9,8	4,5-7,0
- на тормозном режиме	9,5-10,8	7,3-10,0	7,3-10,0	9,8-14,7	8,0-12,0	9,5-10,8	7,0-9,0	13,2-20,0	9,5-10,8	9,8-14,7	7,0-9,0
Допустимая осевая нагрузка, кН, не более
Масса, кг

Таблица 7.4. Техническая характеристика редукторного турбобура ТРМ – 195

Наружный диаметр корпуса, мм
Длина, мм
Масса, кг
Рекомендуемый диаметр долота, мм	215,9-269,9
Передаточное число редуктора	3,69
Турбинные секции:
- тип	ЗТСШ1-195
- число ступеней турбины
Расход бурового раствора (воды), л/с	26-34
Момент силы на выходном валу редуктора, кН·м:	1,5-2,5
Максимальная мощность, кВт	22-50
Перепад давления в турбобуре, МПа	2,8-4,9
Присоединительная резьба по ГОСТ 28487:
к трубам	З-147
к долоту	З-117