Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Директор ИГНД

__________ Мазуров А.К.

"_____" _________ 2009 г.

Зачетная лабораторная работа

ВЫБОР СПОСОБА БУРЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ

ТИПОВ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Основы бурового дела» для студентов

Объем 4 часа

Томск 2009 г.

1. Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение способов бурения скважин и типов забойных двигателей с тем, чтобы для своих условий, разработанных в предыдущих лабораторных работах, выбрать способ бурения и забойные двигатели для определенных интервалов скважин.

В процессе выбора забойных двигателей студент должен ознакомиться с особенностями их конструкций.

1. Выбор способа бурения

Принятие решения об использовании того или иного способа бурения – один из ответственных этапов при проектировании технологии бурения, так как в дальнейшем выбранный способ определяет многие технические решения – режим бурения, гидравлическую программу, бурильный инструмент, тип буровой установки и технологию крепления скважины.

В качестве исходной информации для принятия решения о способе бурения следует использовать следующие данные: глубину бурения и забойную температуру, профиль ствола скважины и диаметр долот, тип породоразрушающего инструмента и бурового раствора.

На основании этой информации и рекомендаций, представленных в таблице 1, может быть выбран способ бурения скважины по интервалам бурения и скважины в целом.

Таблица 1

Геолого-технические условия бурения	Способ бурения
	Роторный	ГЗД	Электробур
Глубина бурения, м: 3500 3500-4200 >4200	+ + +	+ - -	+ + -
Забойная температура, оС: <140 >140	+ +	+ -	+ -
Диаметр долота, мм <190 >190	+ +	- +	- +
Профиль ствола скважины: вертикальный наклонно направленный	+ -	+ +	+ +
Породоразрушающий интсрумент: Двух- и трехлопастной и шарошечный типа М Шарошечный типа МС, МСЗ, С, СЗ, СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК Многолопастной твердосплавный истирающего действия Алмазный	+ + - -	- + + +	- + + +
Тип циркулирующего агента: Газы, пена Буровые растворы со степенью аэрации высокой низкой буровой раствор плотностью, кг/см3 ≤1,7-1,8 ≥1,7-1,8	+ + + + +	- - + + -	- + + + +

Кроме того необходимо учитывать следующиe факторы:

Преимущества роторного способа бурения:

1. Высокая проходка на долото.

2. Высокая рейсовая скорость бурения

Недостатки роторного способа бурения:

1. Низкая механическая скорость бурения.

2. Большие потери мощности на вращение колонны бурильных труб, увеличивающиеся пропорционально глубине скважины.

3. Высокий износ бурильной колонны.

Поскольку недостатки роторного способа бурения обусловлены в основном вращением колонны бурильных труб, их можно устранить только переносом двигателя для привода долота в призабойную зону. Эта задача была решена в нашей стране созданием забойных двигателей трех типов: гидравлических – турбобура и винтового двигателя и электрического – электробура.

Преимущества турбинного способа бурения:

1. Высокая механическая скорость бурения.

2. Повышается срок службы бурильной колонны более чем в два раза по сравнению с роторным способом.

3. Улучшаются условия труда: уменьшается шум и вибрация.

Недостатки турбинного способа бурения:

1. Низкая проходка на долото.

2. Повышенное давление в циркуляционной системе, поэтому частый размыв бурильной колонны по резьбе.

Турбинный способ бурения хорошо себя зарекомендовал. На его долю приходится примерно 90% бурения скважин на нефть и газ. Высокая механическая скорость, даже при некотором уменьшении проходки на долото за один рейс, ускоряет и удешевляет процесс строительства скважины.

Преимущества винтовых забойных двигателей:

1. Возможность контроля режимов бурения по давлению на выходе насосов.

2. Позволяет бурить на пониженной частоте вращения при высоком крутящем моменте.

3. Небольшой перепад давления.

Новые разработки винтовых забойных двигателей показали, что такие недостатки, как низкий ресурс работы и высокие требования к качеству буровых растворов несущественны. Новые типы винтовых двигателей могут работать на различных типах буровых растворов, в том числе на полимерной и нефтяной основе, с различной плотностью и вязкостью: от аэрированных до утяжеленных растворов, плотностью более 2 г/см³ и условной вязкостью до 90 с.

Объем бурения с использованием винтовых забойных двигателей в общем балансе бурения составляет 6,5% и с каждым годом увеличивается.

В Западной Сибири винтовые забойные двигатели применяются при бурении с отбором керна и при отбурке вторых стволов.

В настоящее время созданы мощные, достаточно надежные и долговечные электробуры.

Преимущества при бурении с электробуром:

1. Два независимых канала передачи энергии.

2. Подведение к долоту большей мощности с меньшими потерями.

3. Ускоряется процесс бурения наклонных скважин, так как возможно применение инклинометров с непрерывной передачей показаний на поверхность.

Недостатки при бурении с электробуром:

1. Требуется дополнительное более дорогое и сложное оборудование.

2. Низкая надежность токопроводов.

3. Низкая стойкость уплотнительных элементов.

Пример 1: Выбрать способ бурения для проходки эксплуатационной скважины со следующими исходными данными:

- Глубина бурения 2200 м,

- Неустойчивые породы 0 – 560 м,

- Забойная температура 84 ^оС,

- Диаметр долота > 190 мм,

- Плотность бурового раствора кг/м³ < 1100 – 1170.

Решение: На основании исходных данных и рекомендаций, приведенных в таблице 1, для проводки проектируемой скважины наиболее подходящими являются бурение электробуром и гидравлическим забойным двигателем. Это позволяет добиться простоты конструкции скважины за счет того, что колонна бурильных труб не вращается, исключается возможность нежелательных осыпей и обвалов стенок скважины, так как бурение в интервалах от 0 до 560 метров идет по неустойчивым породам. Также, учитывая тот факт, что в Западной Сибири бурение электробурами не применяется по определенным причинам, связанным с техническими возможностями, а бурение гидравлическими забойными двигателями развито широко и в этой области накоплен немалый опыт, для бурения скважины в данном случае выбираем гидравлический забойный двигатель.

2. Выбор и обоснование типа забойного двигателя

Выбор типа забойного двигателя осуществляется в зависимости от типоразмера долот, режимных параметров и свойств бурового раствора.

Основные требования к забойным двигателям:

- диаметр забойного двигателя должен лежать в интервале 80 – 90% от диаметра долот;

- расход промывочной жидкости должен быть близким к номинальному расходу забойного двигателя;

- 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) значений, необходимых для разрушения горных пород.

Таблица 2

Основные технические характеристики гидравлических забойных двигателей

Шифр забойных двигателей	Наружный диаметр корпуса	Количество ступеней турбины	Расход жидкости (вода), л/с	Перепад давления, МПа	Момент на валу двигателя, Н∙ м	Частота вращ. вала в рабочем режиме, об/мин	Мощность, кВт	К.П.Д.	Масса, кг	Длина, мм
Турбобуры односекционные
Т12МЗЕ-172 Т12МЗБ-195 Т12МЗБ-215 Т12МЗБ-240	172 195 215 240	121 100 89 104	25 30 40 50	3 3,5 2,5 4,0	650 850 1100 2000	625 660 545 660	41,9 57,3 61,7 135,2	0,57 0,56 0,64 0,69	1115 1500 1675 2015	8440 9100 8035 8275
Турбобуры многосекиионные серии ТС
ТС5Е-172 ЗТСШ1-172 ЗТСШ-195 ЗТСШ1-195 ЗТСШ1-195 ГЛ 3TCШ1-195П ЗТСШ-240 ЗТСШ1-240	172 172 195 195 195 195 240 240	239 336 285 306 318 306 318 315	20 20 22 30 40 40 32 32	4,0 6,0 5,0 3,5 3,0 3,5 5,0 5,6	800 1000 1300 1300 1750 2040 2500 2700	500 505 485 400 355 400 420 445	41,2 51,5 64,7 53,7 63,2 83,8 107,3 122,7	0,53 0,44 0,60 0,52 0,55 0,61 0,65 0,70	2150 4490 4165 4850 4355 — 5980 —	15340 25800 23550 25905 25905 — 23550 —
Турбобуры шпиндельные с наклонной линией подачи серии А
А6Ш А6ГТШ А7Ш А7ГТШ А7ГТШ-ТЛ А9Ш А9ГТШ А9ГТШ-ТЛ	164 164 195 195 195 240 240 240	212 252/90 236 232 279/39 210 210/130 231/117	20 20 30 30 25 45 45 40	4,5 4,8 8,0 8,0 4,0 7,0 5,8 4,0	720 850 1900 1950 1300 3000 3120 250	475 325 520 320 250 420 235 230	35,3 28,7 101,4 63,9 33,1 129,4 75,0 58,8	0,40 0,50 0,43 0,27 0,24 0,44 0,28 0,38	— — 3179 — 4520 4605 — 6580	— — 17425 — 25905 16960 — 23825
Турбобуры с решётками гидроторможения внутриконтурной циркуляции
А7ТШМ	195	252	26	8,0	1950	320	63,4	0,31	—	—
Турбобуры с плавающим статером
ТПС-172 ТСШ1М1-195	172 195	450 435	25 28	4,9 —	1600 2800	400 370	65,4 105,8	0,58 —	— —	— —
Турбобуры с полым валом и вращающимся корпусом
А7ПВ А9П8	195240	600 600	25 35	— —	2000 3000	200 200	41,1 61,7	— —	— —	— —
Турбобуры редукторные
ТРМ-195 2ТР-195	195 195	306 130	32 24	4,8 4,8	3360 3000	202 200	69,8 61,7	0,47 0,55	— —	— —
Турбобуры с преобразователем частоты вращения
ТН-195	195	292	24	6,5	2400	150	36,8	0,24	—	—
Турбобуры с решетками гидроторможения
А9ГТШ2	240	66	35	7,6	2950	245	73,5	0,29	—	—
Турбодолота колонковые
КТД4-164-190/40 КТД4С-172 КТД4С-195 КТДЗ-212 КТДЗ-238	164 172 195 212 238	180 291 315 79 330	22 22 28 40 35	5,05 8,3 5,5 3,0 6,4	755 1880 1210 1010 3040	550 490 464 645 465	42,6 94,1 57,3 65,4 147,0	0,20 0,19 0,20 0,18 0,18	1133 — — 1352 1676	9200 — — 7480 8035
Винтовые забойные двигатели
Д-1-54 Д-85 Д2-172М Д1-195	54 85 172 195	— — — —	3 4,8 23 25	3,5 5,6 4,5 4,0	80 715 2900 4500	500 133 115 90	4,1 9,7 34,5 41,1	0,73 0,37 0,34 0,42	40 110 770 1080	2530 3230 5830 6375

При выборе типа забойного двигателя берется во внимание диаметр долота и номинальный момент на валу забойного двигателя, так же необходимо выполнение следующего условия:

М_зд > М, (1)

где М_зд – необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя, Н · м; М - крутящий момент на валу забойного двигателя при работе его на воде, Н · м, определяемый по формуле:

М = М_о + М_уд · G_о, (2)

где М_о – момент необходимый для вращения ненагруженного долота, Н · м; М_уд – удельный момент шарошечного долота, Н·м/кН; G_o - осевая нагрузка на долото, кН.

Момент необходимый для вращения ненагруженного долота определяется по формуле:

М_о = 500 · Д_д, (3)

где Д_д – диаметр долота, м.

Удельный момент шарошечного долота определяется по формуле:

М_уд = К · 120 · D_д, (4)

где К – опытный коэффициент (К = 1÷2 ), Н · м/кН.

Необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя определяется по формуле:

, (5)

где М_н – номинальный крутящий момент на валу забойного двигателя, Н · м; ρ_р – плотность бурового раствора, кг/м³; ρ_в – плотность воды, кг/м³; Q – расход промывочной жидкости, м³/с; Q_н – номинальный расход промывочной жидкости турбобура, м³/с.

Пример 2: Обосновать выбор забойного двигателя для бурения скважины под кондуктор Ø 245 мм на глубину 560 м. Исходные данные:

Д_д – диаметр долота – 295,3 мм,

G_о – осевая нагрузка – 35 кН,

ρ_р – плотность бурового раствора – 1150 кг/м3,

ρ_в – плотность воды – 1000 кг/м³,

Q – расход бурового раствора – 30 л/с.

Решение:

1. Диаметр забойного двигателя для бурения скважины под кондуктор по формуле:

Д_зд = 0,8 · Д_д.

Д_зд = 0,8 · 0,2953 = 0,236 м

Принимаем диаметр забойного двигателя 240 мм и из таблицы 2 выбираем турбобур трехсекционный 3ТСШ – 240.

2. По формуле (2) находим величину крутящего момента, необходимого для разрушения забоя:

М = 500 · 0,2953 + 1,5 · 120 · 0,2953 · 35 = 2008 Н · м

3. С другой стороны, необходимый крутящий момент на валу забойного двигателя из неравенства (1) находим по формуле (5). Из таблицы 2 находим номинальный крутящий момент на валу двигателя ЗТСШ-240, равный 2500 Н · м и номинальный расход промывочной жидкости (вода) – 32 л³/с или 0,032 м³/с. Тогда

М_зд = 2 · 2500 ((1150 · 0,030²)/(1000 · 0,032²))=5054 Н · м

4. Проверяем условие (1):

5054 Н · м >> 2008 Н · м,

что говорит о правильно выбранном забойном двигателе. Выбор сделан с большим запасом и при бурении можно убрать одну секцию турбобура.

Пример 3: Обосновать выбор забойного двигателя для бурения скважины под эксплуатационную колонну Ø 140 мм до глубины 2000 м.

Исходные данные:

Д_д – диаметр долота ­– 215,9 мм,

G_о – осевая нагрузка – 50 кН,

ρ_р – плотность бурового раствора – 1120 кг/м³,

ρ_в – плотность воды – 1000 кг/м³,

Q – расход бурового раствора – 30 л/с.

Решение:

1. Диаметр забойного двигателя для бурения скважины под эксплуатационную колонну по формуле:

Д_зд = 0,9 · Д_д

Д_зд = 0,9 · 0,2159 = 0,1943 м.

Принимаем диаметр 195 мм и из таблицы 2 выбираем турбобур трехсекционный 3ТСШ-195ТЛ.

2. По формуле (2) находим величину крутящего момента, необходимого для разрушения забоя:

М = 500 · 0,2159 +1,5 · 120 · 0,2159 · 50 = 2051,05 Н · м

3. По таблице 2 находим номинальный момент на валу двигателя 3ТСШ-195ТЛ равный 1750 Н · м и номинальный расход промывочной жидкости (вода) – 40 л/с или 0,040 м³/с. Тогда:

М_зд =2 · 1750 · ((1120 · 0,038²)/(1000 · 0,040²)) = 3528 Н · м

4. Проверяем условие (1):

3528 Н · м > 2051 Н · м,

следовательно, выбранный турбобур 3ТСШ-195ТЛ подходит для принятых условий бурения.

5. В интервале 2000-2200 м, характеризующемся газонефтепроявлениями, предусматривается бурение с отбором керна, т.е. будут применяться бурголовки, диаметр которых равен 212,7 мм. В связи с тем что, при бурении с отбором керна применяется спецрежим, а именно бурение на пониженных оборотах и с осевой нагрузкой 30 кН, переходим на работу винтовым забойным двигателем Д1-195.

По формуле (2) находим величину крутящего момента, необходимого для разрушения кольцевого забоя:

М = 500 · 0,2127 + 1,5 · 120 · 0,2127 · 30 = 1255 Н · м

По таблице 2 находим номинальный момент на валу двигателя Д1-195 равный 4500 Н · м и номинальный расход промывочной жидкости (вода) – 25 л/с. Тогда:

М_зд = 2 · 4500 ((1,12 · 0,025²)/(1,0 · 0,025²)) = 10080 Н · м

Проверяем условие (1):

10080 Н · м >> 1255 Н · м,

следовательно, выбранный винтовой забойный двигатель соответствует по мощности и крутящему моменту назначенному спецрежиму бурения.

Данные по выбранным забойным двигателям сводим в таблицу 3.

Таблица 3