Выбор и обоснование типа забойного двигателя



 

Выбор типа забойного двигателя производится в зависимости от проектного профиля скважины, размера долот, режимных параметров. Выбор забойного двигателя с оптимальными характеристиками позволяет достичь высоких качественных показателей. Основные требования к забойным двигателям:

Диаметр забойного двигателя должен лежать в интервале 80-90% от Дд.

Расход промывочной должен быть близким к номинальному забойного двигателя (см. табл.2.6).

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 этих значений, необходимых для разрушения горных пород (см. табл.2.5).

Характеристики применяемых турбобуров и турбинных отклонителей производства Кунгурского машиностроительного завода представлены в табл.2.9 и 2.10, характеристика винтового забойного двигателя производства Пермского филиала ВНИИБТ приведена в табл.2.11

 

Таблица 2.9Характеристики турбобуров

Характеристики А9ГТШ 3ТСШ1-195
Наружный диаметр корпуса, м 0,240 0, 195
Дина в сборе, м 23,3 25,7
Расход бурового раствора, м3/сек 0,045 0,030
Момент силы на выходном валу, Н×м 3060 2009
Частота вращения вала в рабочем режиме, об/мин 246 384
Перепад давления в рабочем режиме, МПа 5,5 3,9
КПД,% не менее 32 51
Наработка на отказ турбинной секции, ч 1200 1200
Масса, кг 6125 4790

 

Таблица 2.10 Характеристики турбинных отклонителей

Характеристики ТО-240К ТО-195К
Наружный диаметр корпуса, м 0,240 0, 195
Дина в сборе, м 10,2 9,8
Угол перекоса, град 1,5 1,5
Расход бурового раствора, м3/сек 0,045 0,030
Момент силы на выходном валу, Н×м 1489 1252
Частота вращения вала в рабочем режиме, об/мин 398 375
Перепад давления в рабочем режиме, МПа 3,4 3,7
КПД,% не менее 32 48
Наработка на отказ турбинной секции, ч 400 400
Масса, кг 2700 2350

 

Таблица 2.11 Характеристика винтового забойного двигателя

Характеристики Д2 - 195
Наружный диаметр корпуса, м 0, 195
Дина в сборе, м 6,5
Расход бурового раствора, м3/сек 0,030
Момент силы на выходном валу, Н×м 5200
Частота вращения вала в рабочем режиме, об/мин 114
Перепад давления в рабочем режиме, МПа 4,3
Наработка на отказ, ч 180
Полный назначенный ресурс, ч 600
Масса, кг 1100

 

При выборе турбобура необходимо выполнение основного условия:

 

Мзд>М, (2.45)

 

где Мзд - необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя, Н×м;

М - необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя при работе его на воде, Н×м, определяемый по формуле:

 

М=500· Дд+ (Qоп+120· Дд) · G Н×м, (2.46)

 

где Qоп - опытный коэффициент (Qоп =1…2 Н×м/кН) [7] ;

G - осевая нагрузка на интервале бурения (см. табл.2.4), кН.

Необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя определяется по формуле:

 

Мзд=2·Мтн· ( (q·Q2) / (qВ·Qтн2)) Н×м, (2.47)

 

где

Мтн -номинальный крутящий момент на валу забойного двигателя, Н×м;

q- удельный вес бурового раствора, Н/см3;

qВ- удельный вес воды, Н/см3;

Q- расход промывочной жидкости, м3/сек;

Qтн - номинальный расход промывочной жидкости, м3/сек.

При бурении под кондуктор по формуле (2.46):

 

М=500· 0,2953+ (2+120· 0,2953) · 60=2394 Н×м.

 

Для турбобура А9ГТШ по формуле (2.47):

 

Мзд=2·3060· ( (1,18·104 ·0,0592) / (1·104 ·0,0452)) =12414>2394 Н×м.

 

Условие (2.45) выполняется, следовательно, по этому условию турбобур подходит.Для турбинного отклонителя ТО - 240К по формуле (2.47):

 

Мзд=2·1489· ( (1,18·104 ·0,0592) / (1·104 ·0,0452)) =6041>2394 Н×м.

 

Условие (2.45) выполняется, следовательно, по этому условию турбинный отклонитель подходит.

При бурении под эксплуатационную колонну на интервале 650 - 2550 м по формуле (2.46):

 

М=500· 0,2159+ (2+120· 0,2159) · 90=2620 Н×м.

 

Для турбобура 3ТСШ1-195 по формуле (2.47):

 

Мзд=2·2009· ( (1,1·104 ·0,0302) / (1·104 ·0,0302)) =4420>2620 Н×м.

 

Условие (2.45) выполняется, следовательно, по этому условию турбобур подходит.

Для турбинного отклонителя ТО - 195К по формуле (2.47):

 

Мзд=2·1252· ( (1,1·104 ·0,0592) / (1·104 ·0,0452)) =2754>2394 Н×м.

 

Условие (2.45) выполняется, следовательно по этому условию турбинный отклонитель подходит.

При бурении под эксплуатационную колонну на интервале 2550 - 3105 м по формуле (2.46):

 

М=500· 0,2159+ (2+120· 0,2159) · 180=5131 Н×м.

 

Для виинтового забойного двигателя Д2 - 195 по формуле (2.47):

 

Мзд=2·5200· ( (1,09·104 ·0,0302) / (1·104 ·0,0302)) =11336>5131 Н×м

 

Условие (2.45) выполняется, следовательно, по этому условию турбобур подходит.

 

Гидравлический расчет промывки скважины

 

Цель составления гидравлической программы бурения - определение рационального режима промывки скважины, обеспечивающего наиболее эффективную отработку долот, при соблюдении требований и ограничений, обусловленных геологическими особенностями вскрываемого интервала, энергетическими, техническими и эксплуатационными характеристиками применяемого инструмента.

Расчет производится по методике, предложенной в [8].

Исходные данные для расчета:

Глубина бурения скважины L, м 2830.

Удельный вес разбуриваемых пород qГП, Н/м32,4·104.

Механическая скорость бурения Vм м/с 0,005.

Момент турбобура, необходимый для разрушения породы, Мр Н·м 1450.

Реологические свойства жидкости:

динамическое напряжение сдвига tО, Па 20.

пластическая вязкость h, Па·с 0,027.

Удельный вес бурового раствора qГП, Н/м3 1,08·104.

Тип бурового насоса УНБТ 950.

Число буровых насосов 1.

Наминальный расход насоса Qн, м3/сек 0,037.

Наминальное рабочее давление Рн, МПа 23.

Элементы бурильной колонны

УБТ - 178x90:

длина l1, м 62;

наружный диаметрdн1, м 0,178;

внутренний диаметр dв1, м 0,080.

УБT- 146x74:

длина l2, м 8;

наружный диаметр dн2, м 0,146;

внутренний диаметр dв2, м 0,074.

ТБПВ:

длина l3, м 250;

наружный диаметр dн3, м 0,127;

внутренний диаметр dв3, м 0,109;

наружный диаметр замкового соединения dз3, м 0,170.

ЛБТ:

длина l4, м 2778;

наружный диаметр dн4, м 0,147;

внутренний диаметр dв4, м 0,125;

наружный диаметр замкового соединения dз4, м 0,172.

Элементы наземной обвязки:

Условный диаметр стояка, м 0,168.

Диаметр проходного сечения, м:

бурового рукава 0,102;

вертлюга 0,100;

ведущей трубы 0,85.

Определяются потери давления в бурильных трубах.

Вычисляются потери давления внутри бурильных труб. Для этого определяются значения критических чисел Рейнольдса в бурильной колонне по формуле:

 

Rекр=2100+7,3· ( (q·dв2·tО) /10·h2) 0,58. (2.48)

В ЛБТ:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 ·0,1252·20) / 10·0,0272) 0,58=16204.

В ТБПВ:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 ·0,1092·20) / 10·0,0272) 0,58=14132.

В УБТ-178:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 ·0,0902·20) / 10·0,0272) 0,58=10504.

В УБТ-146:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 ·0,0742·20) / 10·0,0272) 0,58=9778.

 

Определяются действительные числа Рейнольдса в бурильной колонне по формуле:

 

Rеm= (4·q·Q) / (10·p·dв·h). (2.49)

В ЛБТ:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14·0,125·0,027) =12230

В ТБПВ:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14·0,109·0,027) =14024

В УБТ-178:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14·0,090·0,027) =19108

В УБТ-146:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14·0,074·0,027) =20657

 

В бурильной колонне в ЛБТ и ТБПВ Rеm<Rекр, значит движение происходит при ламинарном режиме и описывается уравнением Сен-Венана, а вУБТ-178 и УБТ-146 Rеm>Rекр, следовательно движение происходит при турбулентном режиме и описывается уравнением Дарси-Вейсбаха. Определяются потери давления. Рассчитывается число Сен-Венана для колонны труб ЛБТ и ТБПВ формуле:

 

Sт= (p·tО·dв3) / (4·h·Q). (2.50)

В ЛБТ:

Sт= (3,14·20·0,1253) / (4·0,027·0,030) =303.

В ТБПВ:

Sт= (3,14·20·0,1093) / (4·0,027·0,030) =230.

 

Определив значение Sт, по Рис.6.7. [8, стр 72] определяется значение коэффициента b: для ЛБТ - 0,84; для ТБПВ - 0,82.

Вычисляются потери давления внутри бурильной колонны по формуле:

 

DРт= (4·tО·l) / (b·dв) МПа. (2.51)

 

В ЛБТ:

 

DРт= (4·20·2778) / (0,84·0,125) =2,117 МПа.

 

В ТБПВ:

 

DРт= (4·20·250) / (0,84·0,109) =0,224 МПа

 

Рассчитывается значения коэффициентов гидравлического сопротивления l для УБТ-178 и УБТ-146 по формуле:

 

l=0,1· (1,46·К/dв+100/ Rеm), (2.52)

 

где К - коэффициент шероховатости стенок, принимается для УБТ=3,0·10-4, м.

В УБТ-178:

 

l=0,1· (1,46·3,0·10-4/0,090+100/19108) =0,0322.

 

В УБТ-146:

 

l=0,1· (1,46·3,0·10-4/0,074+100/20657) =0,0326.

 

Вычисляются потери давления внутри УБТ-178 и УБТ-146 по формуле:

 

DРт= (l·0,8·q·Q2·l) / (p2·dв5) МПа. (2.53)

 

В УБТ-178:

 

DРт= (0,0322·0,8·1,08·104·0,0302·62) / (3,142·0,0905) = 0,48 МПа.

 

В УБТ-146:

 

DРт= (0,0326·0,8·1,08·104·0,0302·8) / (3,142·0,0745) =0,093 МПа.

 

Суммарные потери давления внутри колонны бурильных труб и секций УБТ составит:

 

åDРт=0,093+0,48+2,117+0,224=2,92 МПа.

 

Местными потерями давления в приварных замках ТБПВ пренебрегают, так как потери не значительны [].

Вычисляются потери давления в наземной обвязке по формуле:

 

DРо= (аСРВК) ·q·Q МПа, (2.54)

 

где аС=0,4, аР=0,3, аВ=0,3, аК=0,9 - коэффициенты гидравлических сопротивлений различных элементов обвязки (см. табл.6.1 [8, стр.118]).

 

DРо= (0,4+0,3+0,3+0,9) ·105·10,8·104·0,030=1,85 МПа.

 

Вычисляются потери давления в затрубном пространстве. Для этого определяются значения критических чисел Рейнольдса по формуле:

 

Rекр=2100+7,3· ( (q· (dс-dн) 2·tО) /10·h2) 0,58. (2.55)

 

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

 

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,230-0,147) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=10871.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,367-0,147) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=29273.

В затрубном пространстве за ТБПВ по формуле (2.55):

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,237-0,127) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=14260.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,237-0,178) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=8004.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,237-0,146) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=11859.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

Rекр=2100+7,3· ( (1,08·104 · (0,237-0, 195) 2·20) / 10·0,0272) 0,58=6080.

 

Вычисляются действительные значения чисел Рейнольдса в затрубном пространстве по формуле:

 

Rеm= (4·q·Q) / (10·p· (dс+dв) ·h). (2.56)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,230+0,147) ·0,027) =4055

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,367+0,147) ·0,027) =12230.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,237+0,127) ·0,027) =14024.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,237+0,178) ·0,027) =3684.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,237+0,146) ·0,027) =3991.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

 

Rеm= (4·1,08·104 ·0,030) / (10·3,14· (0,237+0, 195) ·0,027) =3539.

 

В затрубном пространстве Rеm<Rекр, значит движение бурового раствора происходит при ламинарном режиме и описывается уравнением Сен-Венана:

 

Sкп= (p·tО· (dс-dн) 2+ (dс+dн)) / (4·h·Q). (2.57)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

Sкп= (3,14·20· (0,23-0,147) 2+ (0,23+0,147)) / (4·0,027·0,03) =50,34.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Sкп= (3,14·20· (0,367-0,147) 2+ (0,367+0,147)) / (4·0,027·0,03) =482,2.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

Sкп= (3,14·20· (0,237-0,127) 2+ (0,237+0,127)) / (4·0,027·0,03) =85,4.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Sкп= (3,14·20· (0,237-0,178) 2+ (0,237+0,178)) / (4·0,027·0,03) =25,8.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Sкп= (3,14·20· (0,237-0,146) 2+ (0,237+0,146)) / (4·0,027·0,03) =61,5.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

Sкп= (3,14·20· (0,237-0, 195) 2+ (0,237+0, 195)) / (4·0,027·0,03) =14,8.

 

Определив значение Sкп, по Рис.6.7. [8, стр 72] определяется значение коэффициента bкп: для ЛБТ на интервале 0-650 м - 0,66; для ЛБТ на интервале 650-2778 м - 0,87; для ТБПВ - 0,74; для УБТ-146 - 0,7; для УБТ-178 - 0,58; для забойного двигателя - 0,45.

Вычисляются потери давления в затрубном пространстве по формуле:

 

DРкп= (4·tО·l) / (bкп· (dс-dн)) МПа. (2.58)

 

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

 

DРкп= (4·20·650) / (0,66· (0,230-0,147)) =0,95.

 

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

 

DРкп= (4·20·2128) / (0,87· (0,367-0,147)) =0,89.

 

В затрубном пространстве за ТБПВ:

 

DРкп= (4·20·250) / (0,74· (0,237-0,127)) =0,25.

 

В затрубном пространстве за УБТ-178:

 

DРкп= (4·20·62) / (0,58· (0,237-0,178)) =0,14.

 

В затрубном пространстве за УБТ-146:

 

DРкп= (4·20·2128) / (0,7· (0,237-0,146)) =0,01.

 

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

 

DРкп= (4·20·2128) / (0,45· (0,237-0, 195)) =0,03.

 

Суммарные потери давления в затрубном пространстве составит:

 

åDРкп=0,95+0,89+0,25+0,14+0,01+0,03 =2,27 МПа.

 

Вычисляются потери давления от замков в затрубном пространстве по формуле:

 

DРзс=l/lm·0,1· ( (dc2-dн2) / (dc2-dн2) - 1) 2 ·q ·Vкп2 МПа, (2.59)

 

где

lm- средняя длина трубы;

Vкп - минимальная скорость жидкости в затрубном пространстве, в интервале ТБПВ определяется по формуле:

 

Vкп= (4·Q) / (p · (dc2-dн2)) м/с. (2.60)

Vкп= (4·0,03) / (3,14 · (0,2372-0,1272)) =0,95 м/с.

 

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

 

DРзс=650/12·0,1· ( (0,2302-0,1472) / (0,2302-0,1722) - 1) 2 ·1,08·104 ·0,952=0,005 МПа.

 

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

 

DРзс=2128/12·0,1· ( (0,3672-0,1472) / (0,3672-0,1722) - 1) 2 ·1,08·104 ·0,952=0,001 МПа.

 

В затрубном пространстве за ТБПВ:

 

DРзс=650/12·0,1· ( (0,2372-0,1272) / (0,2372-0,1702) - 1) 2 ·1,08·104 ·0,952=0,004 МПа.

 

Суммарные потери давления в затрубном пространстве от замков составит:

 

åDРзс=0,005+0,001+0,004 =0,01 МПа.

 

Определяется перепад давления в забойном двигателе по формуле:

 

DРзд= (DРтн·q·Q2) / (qС·Qтн2) МПа. (2.61)

DРзд= (4,7·1,08·104 ·0,032) / (1·104 ·0,032) =5,08 МПа.

 

Определяется вспомогательный параметр j:

 

j= Q/ (p/4· Vмех ·dc2+Q). (2.62)

j= 0,03/ (3,14/4· 0,005 ·0,2372+0,03) =0,993.

 

Определяется перепад давления, связанный с выносом шлама по формуле:

 

DР= (1 - j) · (qШ - q) ·g·L МПа (2.63)

DРг= (1 - 0,95) · (2,4·104 - 1,08·104) ·9,81·2830=1,8 МПа.

 

Определяется сумма потерь давления во всех элементах циркуляционной системы за исключением долота:

 

DР-DРд=2,92+1,85+2,27+0,01+5,08=12,13.

 

Рассчитывается резерв давления на долоте по формуле:

 

DРр=b·Рн - (DР-DРд) МПа. (2.64)

DРр =0,8·23,0 - 12,13=6,27 МПа.

 

Определяется возможность гидромониторного эффекта, вычислив скорость течения жидкости в насадках долота по формуле:

 

Vд= m· (0,2· DРр/q) 0, 5 м/с, (6.65)

 

где m - коэффициент расхода (m=0,95 [8]).

 

Vд= 0,95· (0,2· 6,67·106/1,08·104) 0, 5 =105 м/с.

 

Так как Vд>80 м/с и перепад давления на долоте меньше критического (Ркр=12 МПа), то бурение данного интервала возможно с использованием гидромониторных долот.Принимая Vд=80 м/с, вычисляется перепад давления в долоте по формуле:

 

DРд= (q·Vд2) / (20·m2) МПа. (2.66)

DРд= (1,08·104 ·802) / (20·0,952) =3,83 МПа.

 

Определяется расчетное рабочее давление в насосе как Р = 3,83 + 12,13 = 15,96 МПа.

Определяется по графику [8, Рис.6.28] утечки промывочной жидкости через уплотнение вала забойного двигателя Qу=0,0005.

Определяется площадь промывочных отверстий по формуле:

 

Ф= (Q-Qу) / Vд м2. (2.67)

Ф= (0,030 - 0,0005) / 80=0,000368 м2.

 

Применяются три насадки с внутренним диаметром 12 мм.

Таким образом, из вышеприведенных расчетов видно, что суммарные потери давления в трубном и затрубном пространствах меньше давления развиваемого буровым насосом типа УНБТ-950 при диаметре цилиндровых втулок 160 мм, следовательно технологический режим промывки скважины выбран верно.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 505; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!