Расчет гидравлической программы проводки скважины

Расчет гидравлической программы проводки скважины

Учебно-методическое пособие

к выполнению курсовой работы по дисциплинам

«Гидроаэромеханика в бурении» и «Гидроаэромеханические

расчеты в строительстве скважин»

Уфа

Данное учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсовой работы по дисциплинам «Гидроаэромеханика в бурении» и «Гидроаэромеханические расчеты в строительстве скважин». В работе даются основные теоретические положения и расчетные зависимости.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлению 21.03.01 «Нефтегазовое дело» профиль «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Составитель: Гусейнова Е. Л., старший преподаватель, каф. МТМ

Рецензенты: Арсланов И. Г., проф., д-р техн. наук, каф. МТМ

Шангареев Р.Р., доц., канд. техн. наук, каф. МТМ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ. 6

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО МОМЕНТА НА ДОЛОТЕ 7

3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ 8

3.1. Выбор плотности промывочной жидкости 8

3.2. Выбор реологических параметров промывочной жидкости 10

4. ОСАЖДЕНИЕ И ВЫНОС ЧАСТИЦ ШЛАМА 11

4.1 Движение частиц шлама и пузырьков в покоящейся жидкости 11

4.2 Вынос разбуренной породы 12

5. ВЫБОР РАСХОДА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ 13

6. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 15

6.1 Критерии режима течения 16

6.2 Основные расчетные формулы 17

6.3 Расчет местных сопротивлений 18

7. ВЫБОР НАСОСА 19

8. ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ НАСОСА 20

9. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРОВОДКИ СКВАЖИН 25

9.1. Оптимизация расхода промывочной жидкости 25

9.1.1. Оптимизация по минимуму давления в скважине 27

9.1.2. Оптимизация по критериям максимума мощности гидромониторной струи и силы удара гидромониторной струи о забой 30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 32

ПРИЛОЖЕНИЯ 33

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлической программой проводки скважины называется комплекс параметров режимов промывки скважины, который способствует обеспечению высоких технико-экономических показателей бурового процесса при минимальном воздействии на окружающую среду.

Выполнение необходимых гидравлических и гидродинамических расчетов в бурении предусмотрено при выполнении курсовой работы по дисциплинам «Гидроаэромеханика в бурении» и «Гидроаэромеханические расчеты в строительстве скважин». В данном пособии содержатся методики расчетов и необходимые справочные данные.

Все расчеты выполняются, а результаты представляются в системе единиц СИ.

Данные для выполнения курсовой работы, согласно варианту, берутся из Приложения 2. Студентам, работающим в буровых организациях, рекомендуется использовать фактические данные по одной из реально пробуренных (или бурящихся) скважин на площади или месторождении. Исходным материалом для расчета являются данные, содержащие сведения о свойствах разбуриваемых пород разреза, компоновках бурильного инструмента, конструкции скважины, пластовых давлениях и давлениях начала поглощения (гидроразрыва) или их градиентах, профиле скважины, режимах бурения.

При отсутствии данных о величинах давлений начала поглощения (гидроразрыва) их значения могут быть определены по данным о фактической высоте подъема тампонажного раствора при цементировании обсадных колонн, а так же ориентировочно по формулам:

для пористых пород

для непроницаемых плотных пород

При отсутствии данных о величине коэффициента Пуассона пород можно принять:

- для крепких кварцевых песчаников v=0, 17;

- песчаников с контактным цементом v=0, 2;

- песчаников и алевролитов с карбонатным цементом v=0, 25;

- глинистых песчаников v=0, 3;

- известняков и доломитов v=0, 25;

- аргиллитов v=0, 3;

- уплотненных глин v=0, 35;

- пластичных глин и каменной соли v=0, 44.

Курсовая работа содержит разделы:

1. Выбор параметров промывочной жидкости.

2. Определение интервалов, несовместимых по условиям бурения, и соответствие конструкции скважины этим условиям.

3. Определение необходимого расхода промывочной жидкости.

4. Расчет потерь давления в элементах циркуляционной системы.

5. Выбор типа и количество буровых насосов. Определение режима их работы – диаметров втулок (плунжеров), частоты ходов.

6. Выбор путей оптимизации гидравлической программы.

Данная курсовая работа выполняется в рамках ФГОС (федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения). Основой данного стандарта является компетентностный подход. В результате изучения дисциплин «Гидроаэромеханика в бурении» и «Гидроаэромеханические расчеты в строительстве скважин» у студентов формируются компетенции:

а) ОПК-2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

б) ОПК-5. Способность составлять и оформлять научно-техническую и служебную документацию;

в) ОПК-6. Способность решать стандартные задачи профессиональной деятельности на основе информационной и библиографической культуры с применением информационно-коммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности;

г) ПК-13. Готовность решать технические задачи по предотвращению и ликвидации осложнений и аварийных ситуаций при строительстве, ремонте, реконструкции и восстановления нефтяных и газовых скважин, добыче нефти и газа, сборе и подготовке скважинной продукции, транспорте и хранении углеводородного сырья.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Р_г - горное давление;

Р_с - давление в скважине;

Р_гр - давление гидроразрыва пород;

Рп - давление начала поглощения;

Р_ПЛ - пластовое давление;

V - коэффициент Пуассона горных пород;

σ _is - предельная интенсивность касательных напряжений горной

породы;

p- плотность промывочной жидкости;

р_кп - плотность промывочной жидкости в КП при бурении с учётом содержания шлама;

η - структурная вязкость бурового раствора;

τ _о - динамическое напряжение сдвига раствора;

Q- расход промывочной жидкости;

р_п - плотность разбуриваемых пород;

d_т - эквивалентный диаметр наиболее крупных частиц шлама;

Д_д - диаметр долота;

Д_с - диаметр скважины;

Д_т - наружный диаметр бурильных труб;

S_КП - площадь кольцевого пространства;

U_o_с- скорость оседания частиц шлама в восходящем потоке жидкости;

V_м - механическая скорость проходки;

М_c - момент на валу забойного двигателя, при расходе промывочной жидкости Q_с плотностью р_с (справочные данные);

М_уд - удельный момент на долоте;

G- нагрузка на долото;

U_ж - скорость восходящего потока жидкости;

S_з – площадь забоя скважины;

g – ускорение силы тяжести;

Δ P_КП – гидравлические сопротивления в кольцевом пространстве;

Δ P_Д – перепад давления в долоте;

[P], Q_Н – допустимое давление и фактическая производительность насоса при диаметре втулок d;

L – длина ствола скважины;

H – длина проекции ствола скважины на вертикальную плоскость;

h – проходка на долото;

P_Ш – твердость пород по штампу;

ГЗД – гидравлический забойный двигатель;

КП – кольцевое пространство;

S_Н – площадь промывочных отверстий долота.

ВЫБОР НАСОСА

Выбирается насос, максимально допустимое давление которого [Р] при данном диаметре втулок (плунжеров) не меньше суммы потерь давления в элементах циркуляционной системы, а подача Q_H не меньше расчетного расхода Q_р, т.е.

[Р]> Σ Δ Р; Σ Q_H≥ Qр (43)

Если один насос не может удовлетворить этим условиям, выбираем

два насоса.

Следует иметь в виду, что в справочной литературе чаще всего указывается теоретически возможная производительность насоса Q₀; фактическая производительность насоса Q_ф, как правило, меньше и определяется в основном условиями всасывания.

При работе под залив коэффициент наполнения

К_н = Q₀ /Q_ф ≈ 0, 90÷ 0, 95.

При работе на всасывание К_н = 0, 8 - 0, 9. И лишь при работе с подпором К_н=1, 0.

Привод насоса может быть регулируемым (ДВС или электродвигатель постоянного тока), при этом частота ходов поршней (плунжеров) и, следовательно, подача насоса может изменяться в достаточно широком диапазоне. Если же привод насоса осуществляется от синхронного электродвигателя, то подача насоса может изменяться только при смене втулок (плунжеров).

Современные буровые установки имеют, как правило, один насос с регулируемым приводом. Буровые насосы могут быть двухпоршневыми двойного действия или трехплунжерными одинарного действия. Последние являются предпочтительными, т.к. обеспечивают менышие пульсации расхода и давления.

ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ НАСОСА

Он включает в себя выбор необходимого диаметра втулок (плунжеров) насоса и частоты ходов (при регулируемом приводе). Удобнее всего режим работы насоса выбирать исходя из НТС (НС) - номограмм.

НТС - номограммой называется график совмещенных гидравлических характеристик насоса, гидравлического двигателя (ГЗД) и скважины.

Гидравлической характеристикой бурового насоса называется зависимость его производительности, допустимого давления и мощности от диаметра втулок и частоты ходов в координатах Р - Q, N -Q. При регулируемом приводе производительность насоса может плавно изменяться изменением частоты ходов. При нерегулируемом приводе возможность плавного регулирования производительности насоса отсутствует. Это определяет различие характеристик насоса в зависимости от вида привода (рис. 3).

Гидравлической характеристикой ГЗД является зависимость перепада давления Δ Р_Т и гидравлической мощности N_т, срабатываемой в нем, от расхода. Строится в тех же координатах, что и характеристика насоса.

Гидравлической характеристикой скважины называется зависимость потерь давления и мощности во всех элементах циркуляционной системы, исключая ГЗД, от расхода промывочной жидкости и глубины скважины Δ Р_С=f(Q, L), N_С=f(Q, L).

Рис. 3. Характеристика насоса У8-6М с нерегулируемым (а) и регулируемым (б) приводом

Потери давления и мощности в циркуляционной системе откладываются на графике влево от линии давления или мощности насоса (рис. 5). Совмещая характеристики насоса, ГЗД и скважины, получаем НТС- номограмму (рис. 4). На НТС-номограмме можно построить характеристики нескольких ГЗД с тем, чтобы выбрать оптимальный вариант.

НС - номограмма строится аналогично. Только вместо характеристики ГЗД в координатах Р-Q, N-Q строится гидравлическая характеристика долота. Соответственно в характеристику скважины не включаются потери давления и мощности в долоте (рис. 6). На НС-номограмме также можно изобразить гидравлические характеристики долот с различной площадью промывочных отверстий.

Рис. 5. Совмещенные характеристики насоса и скважины в координатах

Рис. 6 HC – номограмма

Рис. 7. Режим промывки скважины при регулируемом (а) и нерегулируемом (б) приводе

Для выбора наилучшего ГЗД необходимо знать показатели бурения с каждым ГЗД. При отсутствии таких данных следует выбрать ГЗД с максимальным отношением М/п. При прочих равных условиях этот ГЗД обеспечивает более устойчивую работу долота при меньшей частоте вращения.

Возможные режимы промывки скважины по НС-номограмме (рис. 6) показаны в табл. 6. Оптимальным может считаться тот вариант, при котором к забою подводится наибольшая гидравлическая мощность и в то же время выполняются требования по выносу шлама на поверхность, недопущения гидроразрыва пород на стенках скважины, минимизации дифференциального давления. Из рис. 6 видно, что максимальная гидравлическая мощность на забое скважины во всём интервале бурения L₁-L₆ обеспечивается при гидромониторных насадках площадью S_нз