Геолого-технические условия бурения

Согласно характеристике насоса У8-3 (см. табл. 42 приложения). производительность в 51,6 л/с можно получить, если на двух насо-сах будут поставлены цилиндровые втулки диаметром 185 мм при числе двойных ходов поршня в минуту 40 и коэффициенте подачи а=0,85 (производительность одного насоса при этом составляет 25,8 л/с). Допускаемое давление па насосах 75 кгс/см². Находим допустимую глубину бурения L_доп при заданной производительность насосов Q = 51.6 л/с по формуле

где N == 1040 л. с.;

?_Н= 0,675;

А_р = 2116?10^-5;

А = 1006?10^-5

?_гл.р. = 1,2 гс/см³,

Q == 51,6 л/с

(эти величиной были определены выше);

В -- коэффициент потерь давления, зависящий от глубины скважины,

где a_тр -- коэффициент потерь давления в бурильных трубах. Его значения в зависимости от диаметра бурильных труб, толщины. стенки трубы, вида и количества буровой жидкости, прокачиваемой через бурильные трубы, даны в табл. 17 приложения. Для нашего примера а_тр = 520? 10^-8;

а₃ -- коэффициент потерь давления в зам-ковом соединении. Значения а₃, даны в табл. 18 приложения. Если для бурения применяются бурильные трубы с равнопроходным кана-лом, то а₃ = О. В нашем случае а, = 0, так как трубы типа ТБПВ;

l -- длина одной бурильной трубы. Для расчетов принимается l = 10 м;

а_к.п -- коэффициент потерь давления в кольцевом пространстве. Значения его в зависимости от диаметра бурильных труб, долота, вида и количества буровой жидкости даны в табл. 16 приложения. Для нашего примера а_к.п=14,0?10^-8

Следовательно,

Тогда

Принимая L = 150 м, так как далее меняется удельный вес глинистого раствора на 1,3 гс/см³ и диаметр долота. Для новых условий определяем Q_max по формуле

Здесь N = 1040 л.с.;

?_Н = 0,675;

А = 2116 * 10^-5

?_гл.р. = 1,3 гс/см³

Коэффициент А для новых условий равен

где а_м= 340*10^-5 (согласно данным табл. 21 приложения);

а_УБТ = 2,24*10^-5 (согласно данным табл. 19 приложения);

а_{п. т} = 170*10^-5 (согласно данным табл. 20 приложения);

Здесь F = 17 см² -- суммарное сечение промывочных отверстии долота диаметром 269 мм (см. табл. 3 приложения).

Тогда

Коэффициент В для новых условий равен

где атр = 520*10^-8 (согласно данным табл. 17 приложения);

а₃ = 0 (трубы беззамковые);

а_к.п= 85*10^-8 (согласно данным табл. 16 приложения).

Тогда

Следовательно,

Определим минимальное значение производительности насосов для
выноса частиц выбуренной породы на поверхность.

Значения букв, входящих в формулу, приведены в задаче 21. В на-шем примере D_д= 269 мм; D = 146 мм. Принимая ?_min= 1,1 м/с, получаем

Следовательно, фактическая производительность Q должна быть

Согласно характеристике насоса У8-3 (см. табл. 42 приложения), производительность в 48,2 л/с можно получить, если на двух насосах будут поставлены цилиндровые втулки диаметром 170 мм при числе двойных ходов поршня в минуту 45, коэффициенте подачи насоса а=0,85 (производительность одного насоса при этом составляет 24,1 л/с). Допускаемое давление на насосах равно 90 кгс/см².

Определим допустимую глубину бурения при производитель-ности насосов 48,2 л/с по формуле

Для увеличения допустимой глубины бурения поставим па двух насосах втулки диаметром 150 мм. Тогда производительность одного насоса при коэффициенте подачи 0,85 и числе двойных ходов поршня в минуту 55 составляет 22,4 л/с (см. табл. 42 приложения), а про-изводительность двух насосов 44,8 л/с. Допускаемое давление 110 к гс/см²,

Принимаем L = 1000 м, так как далее меняется удельный вес глинистого раствора на 1,4 гс/см³.

Определим допустимую глубину бурения при ?_гл.р. = 1,4 гс/см³

Принимаем L = 1500 м, так как далее меняются долото, тип турбо-бура, бурильные трубы и удельный вес глинистого раствора. Для данных условий, согласно данным табл. 16, 17, 19, 20, 39 прило-жения и формулам, находим для турбобура ТС4А-6⁵/₈"

Согласно данным табл. 39 приложения, р_т' = 89 кгс/см²; Q₁ = 25 л/с; а_м = 340*10^-5 (см. табл. 21 приложения); а_УБТ= 8,0*10^-5 см. табл. 19 приложения);

Здесь F -- суммарное сечение промывочных отверстий долота диаметром 190 мм (см. табл. 3 приложения); а_п.т = 560*10^-5; а_т.р=1820*10^-8; а_к.п= 600*10^-8

Тогда

Приняв L = 1500 м, при ?_гл.р = 1,5 гс/см³ найдем производительность насосов на глубине 1500 м

Минимальное значение производительности насосов для выноса частиц

выбуренной породы на поверхность равно

Подставляя D_д= 0,190 м; D = 0,114 м; ? _min = 1,1 м/с, полу-чаем

Фактическая производительность насоса будет

Q_max > Q >Q_min

Согласно характеристике насоса У8-3 (см. табл. 42 приложения), производительность 26,6 л/с можно получить, если на двух насосах будут поставлены цилиндровые втулки диаметром 130 мм при числе двойных ходов поршня в минуту 45 и коэффициенте подачи ?=0,85. Допускаемое давление на насосах 150 кгс/см².

Находим допустимую глубину бурения L_доп при заданной производительности насосов 26,6 л/с по формуле

Для увеличения допустимой глубины бурения примем тот же диаметр втулок 130 мм, ? = 0,85, число двойных ходов поршня в минуту 40. Тогда производительность двух насосов У8-3 равна 23,6 л/с.

Определим L_доп при Q = 23,6 л/с.

Принимаем L = 3000 м,

Примечание. Если производительность Q_max, определяемая по вышеприведенной формуле, меньше, чем суммарная производительность двух насосов (согласно характеристике), то можно бурить одним насосом. При этом следует подставлять производительность Q одного насоса и N -- мощность привода одного насоса.

Результаты всех расчетов сводим в табл. 15.

Таблица 15

Интервал бурения, м	Диаметр втулок, мм	Допустимое давление на насосах, кгс/см2	Число двойных ходов поршня в 1 мин	Производительность насосов, л/с	Удельный вес глинистого раствора, гс/см3
0-150 150-640 640-1000 1000-1500 1500-2700 2700-3000	185 170 150 150 130 130	75 90 110 110 150 150	40 45 55 55 45 40	51,6 48,2 44,8 44,8 26,6 23,6	1,2 1,3 1,3 1,4 1,5 1,5

Определение осевой нагрузки на долото.

Определим осевую нагрузку на долото G при бурении в интервале 1000-1500 м. Эффективное разрушение породы при бурении возможно только в том случае, если соблюдается условие G₁?F_H?, т. е. объемное разрушение породы. Здесь F_H -- начальная опорная поверхность нового долота

?_Z -- коэффициент перекрытия зубьев. Среднее значение его равно 1,05-2;

b -- начальная тупизна зубьев, равная 1,0 -- 1,5 ми;

D_Д = 269 мм -- диаметр долота в заданном интервале.

Принимая ?_Z= 1,07, b = 1,05мм, получаем

? -- предел прочности породы в кгс/мм². Значения ? по интервалам приведены в табл. 16.

Принимая, согласно данным табл. 16, ? = 75 кгс/мм² (порода 4 категории, см. табл. 1 приложения), находим

Таблица 16.

Интервал, м	0-150	150-640	640-1000	1000-1500	1500-2700	2700-3000
?, кгс/мм2	25	60	60	75	80	80

Аналогично определяем G₁ для других интервалов, и результаты расчетов сводим в табл. 17.

Таблица 17

Интервал, м	0-150	150-640	640-1000	1000-1500	1500-2700	2700-3000
Диаметр долота, мм	346	269	269	269	190	190
G1, тс	4,9	9,1	9,1	11,3	8,5	8,5

Примечание. Если предел прочности о породы очень большой, то разрушение породы может происходит, при G₁?F_H?. В этом случае будет отмечаться усталостное разрушение, а если G₁<<F_H?, то - поверхностное разрушение. Усталостное и поверхностное разрушения малоэффективны и нежелательны, поэтому для разрушения такой породы объемным способом необходимо уменьшать F_H путем уменьшения диаметра долота, коэффициента перекрытия зубьев и начальной тупизны зубьев, т, е. следует правильно подобрать типоразмер долота в зависимости от механических свойств проходимых город.

Согласно данным табл. 5 приложения, загрузка па долото тила С интервале 1000 -- 1500 м должна быть

где (300 ? 800) -- нагрузка в кгс на 1 см диаметра долота типа С;

D_д -- диаметр долота в см прп бурении в интервале 1000-1500м.

Следовательно,

Аналогично находим загрузки G₂ для других интервалов и результаты расчетов сводим в табл. 18,

На основанный данных табл. 3 приложения, максимально допустимая осевая нагрузка на долото G₃ в зависимости от диаметра долота и интервала бурения приведена в табл. 19.

Определим тормозную нагрузку G_тор в интервале 1000--1500 и,
при которой вал турбобура полностью затормаживается,

где М_т -- тормозной момент турбобура в кгс ·м.

Таблица 18.

Интервал, м	0-150	150-640	640-1000	1000-1500	1500-2700	2700-3000
Диаметр долота, мм	346М	269С	269С	269С	190С	190С
G2, тс	7-21	5-16	5-16	8-22	6-15	8-17

Таблица 19.

Интервал, м	0-150	150-640	640-1000	1000-1500	1500-2700	2700-3000
Диаметр долота, мм	346	269	269	269	190	190
G3, тс	40	32	32	32	20	20

М_т = 2М_опт.

М_опт -- оптимальный момент, развиваемый турбобуром в интервале 1000--1500 м при Q = 44,8 л/с; ?_гл.р= 1,4 гс/см³

Здесь А_М -- коэффициент момента турбобура. Для Т12МЗБ-9" А_м определяют из выражения

Здесь М' -- вращающий момент на валу турбобура при производительности насосов Q₁ = 55 л/с. Согласно данным табл. 39 приложения, M' = 363 кгс·м; Q₁ = 55 л/с. Значения коэффициента А_М для некоторых типоразмеров турбобуров также приведены в табл. 22 приложения.

Тогда

r_ср -- средний радиус трения в пяте турбобура.

r_ср определяют по формуле

где r_Н = 7,25 см;

r_В = 5,0 см -- соответственно наружный и внутренний радиус поверхности трения в см (см. табл. 40 приложения).

r_Н = 0.0725 м, r_В = 0,05 м.

?_р -- коэффициент трения в пяте, равный 0,082; G_ос-- максимальная осевая нагрузка, действующая на вал турбобура и его опоры, зависящая от гидравлической нагрузки G_Г и веса вращающейся системы G_р.т. -- вала турбобура, долота, а иногда удлинители, помещ-щенного между турбобуром и долотом,

Гидравлическая нагрузка равна

Здесь Е -- коэффициент гидравлической нагрузки, определяемый по формуле

d_С-- средний диаметр турбины. Согласно данным табл. 10 приложения,

d_С = 16 см.

Примечание. Значения коэффициента Е для некоторых типоразмеров турбобуров приведены в табл. 40 приложения.

G_р.т= 920 кгс -- вес вращающейся системы турбобура (см. табл. 40 приложения). Следовательно,

Тогда

При турбинном бурении следует учитывать еще следующие на долото (но не тормозную), обусловливаемую максимальным рабочим моментом, развиваемым турбобуром; G_N -- экстремальную нагрузку на долото, обеспечивающую работу турбобура на экстремальном режиме (режим при максимальной мощности).

Между этими нагрузками и тормозной нагрузкой существую соотношения

Таким образом, для интервала 1000--1500м подсчитаны следующие нагрузки:

G1, тс	G2, тс	G3, тс	Gтор, тс	Gmax, тс	GN, тс
11,3	8-22	32	95,5	76	57

При турбинном способе бурения соотношения между выбранной нагрузкой G и определенными должны быть таковы: G>G₁; G ?G₂; G<G₃; G<G_max; G?G_N;

Принимая во внимание соотношения и зная, что осевая нагрузка на долото должна создаваться за счет 75% веса УБТ (из условия задачи l_y= 100м, q_y = 192 кг), выбираем нагрузку на долото d интервале 1000--1500м до 16 тс.

Аналогично производим подсчеты при изменении удельного веса глинистого раствора, производительности насосов, типа турбобура ли типа долота. Все расчеты сводим в табл. 20.

0-150 150-640 640-1000 1000-1500 1500-2700 2700-3000	4,9 9,1 9,1 11,3 8,5 8,5	7-21 5-16 5-16 8-22 6-15 8-17	40 32 32 32 20 20	105 101 87 95,5 25 26	84 80 70 76 19 21	63 60 52 57 35 35	С навеса 10 10 16 9 9

Определение скорости вращения долота

Скорость вращения долота при бурении в интервале 1000--1500м определяют по формуле

где n_X-- скорость вращения вала турбобура при холостом режиме, т.е. при G= 0.

n_опт -- скорость вращения вала турбобура при производительности
насосов Q.

А_n - коэффициент скорости вращения вала турбобура определяют из выражения

Здесь n' -- скорость вращения вала турбобура при максимальной мощности. Согласно данным табл. 39 приложения, n' = 772 об/мин прп расходе жидкости Q = 55 л/с.

Примечание. Значения коэффициента А_n для некоторых типоразмеров трубопроводов приведены в табл. 22 приложения.

Тогда

М_т -- тормозной момент турбобура, М_т был определен нами при проектировании осевой нагрузки на долото, М_т = 620 кгс·м;

М_п -- момент трения в пяте турбобура

где r_ср = 0,06193 м;

?_р = 0,082;

G_ос = 14 420 кгс;

G= 16 000 кгс.

Эти величины были определенны при проектировании осевой загрузки на долото.

Тогда

Далее определяем момент, необходимый для преодоления сопротивление, встречаемых долотами,

где К -- коэффициент, для изношенного шарошечного долота, равный 0,2 -- 0,3; для нового долота К = 0,1- 0,2;

G -- осевая нагрузка на долото в тс;

D_Д -- диаметр долота в см.

Принимая К = 0,1; G= 16 тс; D_Д= 26,9 см, получаем

Тогда скорость вращения долота в интервале 1000 -- 1500 и равна

Определим коэффициент полезного действия всей буровой установки при бурении в интервале 1000--1500м.

где N_д - мощность, затрачиваемая на разрушение породы долотом,

Подставляя данные, получаем

N =1040 л. с. -- суммарная мощность двигателей привода насосов.

Тогда

В такой же последовательности рассчитываем n, N_Д и ? для каждого интервала в отдельности. Результаты расчетов сводим в табл. 21.

Таблица 21

Интервал, м	n, об/мин	Nд, л.с.	?,%
0-150 150-640 640-1000 1000-1500 1500-2700 2700-3000	725 678 532 854 374 346	290 169 168 107 46,5 42,7	28,0 16,2 16,1 10,3 4,47 4,1

На основании всех предыдущих расчетов и таблиц строим свод-ную таблицу режима турбинного бурения.

Интервал, м	Долото	Тип турбобура	Удельный вес глинистого раствора, гс/см2	Q, л/с	Р, кгс/см2	G, тс	n, об/мин	NД, л.с.	?, %
	Тип	Диаметрмм
0-150 150-640 640-1000 1000-1500	М МС МС С	346 269 269 269	Т12М3Б-9''	1,2	51,6	75	С навеса	725	290	28
				1,3	48,2	90	10	678	169	16,2
				1,4	44,8	110		532	168	16,1
						110	16	584	107	10,3
1500-2700 2700-3000	С С	190 190	ТС4А-6?''	1,5	26,6	150	9	374	46,5	4,47
					23,6	150		346	42,7	4,1

Список литературы

1. Б.И. Воздвиженский «Колонковое бурение», Москва «Недра», 1982

2. К.Ф. Паус «Буровые промывочные жидкости», Москва «Недра», 1967

3. С.Ю. Жуховицкий «Промывочные жидкости в бурении», Москва «Недра», 1976

4. Б.И. Воздвиженский «Разведочное бурение», Москва «Недра», 1979

5. Спиридонов Б.И. «Разведочное бурение», Методические указания, Томск,издательство ТПУ,1991

6. А.С. Волков, Б.П. Долгов «Вращательное бурение разведочных скважин», Москва, «Недра», 1988

7. А.В. Марамзин «Бурение геологоразведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые», Ленинград «Недра», 1969

8. «Буровой инструмент для геологоразведочных скважин», Справочник, Москва «Недра», 1990

9. А.А. Гребенюк «Технология получения керна», Москва «Недра», 1973

10. «Технология и техника разведочного бурения», Москва «Недра», 1983

11. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин, в двух частях, Москва, «Недра», 1984