Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Г. A. Кулябин, А. Г. Кулябин, А. Ф. Семененко
ТЕХНОЛОГИЯ УГЛУБЛЕНИЯ
СКВАЖИН С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ
ПРОЦЕССОВ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по нефтегазовому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки магистров 131000 «Нефтегазовое дело»
Тюмень
ТюмГНГУ
2012
Стр.1
УДК 622.24 (084)
ББК 33.131(075.8)
K 90
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор С. И. Грачев
доктор технических наук, профессор Я. М. Курбанов
Кулябин, Г. А.
И 85
Технология углубления скважин с учетом динамики процессов
: учебное пособие / Г. А. Кулябин, А. Г. Кулябин,
А. Ф. Семененко. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2011. – 206 с.
ISBN 978-5-9961-0446-8
B книге представлены общие вопросы технологии бурения, методы
проектирования бурильной колонны и режимов углубления скважин с
расчетами затрат мощности при этом, методы выбора привода долота
и расчеты осевых усилий, определяющих взаимосвязь технологических
параметров и энергетическую характеристику машинных агрегатов.
Приведены новые модели процесса углубления скважин и методы расчета
технологически необходимых величин давления на выкиде буровых
насосов и перепада давления в промывочном узле долот с последующим
расчетом диаметра струйных насадок долот. Рассмотрены волновые процессы
в бурении и способы управления параметрами вибраций, а также
конструктивные отличия гидравлических забойных двигателей.
Пособие предназначено для инженерно-технических работников буровых
предприятий, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов нефтегазовых
вузов, специализирующихся по бурению скважин.
УДК 622.24 (084)
ББК 33.131(075.8)
ISBN 978-5-9961-0446-8
© Федеральное государственное
бюджетное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Тюменский государственный
нефтегазовый университет», 2011
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 6
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН .................11
1.1. Цели и задачи строительства скважин .............................................11
1.2. Скважина, ее элементы и конструкция, компоновка низа
бурильного инструмента, понятие о буровой ................................ 12
1.3. Способы бурения глубоких скважин на нефть и газ ..................... 27
1.4. Основные технико-экономические показатели бурения ............... 29
1.5. Понятие о регламенте на углубление скважин............................... 30
2. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В БУРИЛЬНОМ ИНСТРУМЕНТЕ
И ПОТОКЕ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ..........................................32
2.1. Общие понятия о динамике при углублении скважин .................. 32
2.2. Параметры вибраций ........................................................................ 37
2.3. Расчет параметров осевых зубцовых вибраций долота ................ 39
2.4. Вибрации с повышенными амплитудами. Гидроимпульсное
давление ............................................................................................. 46
2.5. Управление параметрами вибраций бурильного инструмента ..... 52
2.6. Выводы ............................................................................................... 57
3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИЯ .................................................................58
3.1. Влияние параметров режима бурения на механическую
скорость проходки ........................................................................58
3.2. Расчет механической скорости проходки ....................................... 61
3.3. Влияние осевой нагрузки на долото и частоты
его вращения на проходку ............................................................64
3.4. Влияние расхода промывочной жидкости ...................................... 65
3.5. Влияние параметров промывочной жидкости ............................... 66
3.6. Влияние волновых процессов в бурильном инструменте на
механическую скорость бурения и проходку на долото ..............68
3.7. Влияние типа привода долота .......................................................... 68
4. БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА ........................................................................... 70
4.1. Назначение и состав бурильной колонны ....................................... 70
4.2. Общие сведения о конструкциях бурильных труб ........................ 71
4.3. Расчет приведенного веса (массы) бурильных труб
в воздухе и в жидкости .................................................................79
3
Стр.3
4.4. Расчет удлинения бурильной колонны в скважине ....................... 79
4.5. Условия работы бурильной колонны .............................................. 81
4.6. Напряжения в бурильных трубах .................................................... 82
4.7. Устойчивость бурильной колонны .................................................. 85
4.8. Вариант методики проектирования бурильной колонны .............. 86
5. СВЕДЕНИЯ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
И ТЕОРИИ ИХ РАБОТЫ ................................................................................ 95
5.1. Понятие о машинном агрегате в бурении ....................................... 95
5.2. Принцип действия турбобура ......................................................96
5.3. Устройство турбобура. Классификация турбин ..........................96
5.4. Расчет крутящего момента на трение в осевой
опоре серийного турбобура .......................................................100
5.5. Конструктивные отличия турбобуров .......................................... 101
5.6. Технологическая характеристика турбин ..................................... 106
5.7. Технологическая характеристика турбобура ................................ 108
5.8. Расчет параметров характеристики турбин
по упрощенной модели ...................................................................110
5.9. Расчет моментов сопротивления ротору турбобура
и параметров, определяющих его работу .................................112
5.10. Построение характеристики турбобура .......................................118
5.11. Объемные забойные двигатели типа «Д» ................................... 120
6. РАСЧЕТ МОЩНОСТЕЙ, РАСХОДУЕМЫХ ПРИ УГЛУБЛЕНИИ
СКВАЖИН ..............................................................................................126
6.1. Понятие о гидравлических расчетах в бурении ........................... 126
6.2. Определение максимального (оптимального) давления
на выкиде буровых насосов .........................................................127
6.3. Расчет диаметра насадок для промывочного узла долота .......... 129
6.4. Расчет мощностей, расходуемых на забое скважины.................. 132
6.5. Коэффициент передачи мощности на забой скважины
и КПД способа бурения ................................................................. 135
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ ....................................... 138
7.1. Основные понятия и определения ................................................. 138
7.2. Методы проектирования режимов бурения ................................. 139
7.3. Выбор долота ................................................................................... 141
7.4. Осевые усилия на статор и ротор турбобура ................................ 142
7.5. Проектирование осевой нагрузки на забой скважины ................ 145
7.6. Определение расхода промывочной жидкости ............................ 150
4
Стр.4
7.7. Основные требования к свойствам промывочной жидкости
для эффективного углубления скважин ....................................155
7.8. Проектирование частоты вращения долота ................................. 156
7.9. Особенности технологии бурения с турбобурами
серии А, с ВЗД, одношарошечными, алмазными
и фрезерными долотами................................................................. 157
7.10. К проектированию специальных режимов
углубления скважин ..................................................................159
8. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ РОТОРНОГО БУРЕНИЯ
И ЭЛЕКТРОБУРЕНИЯ. РОТОРНО-ШПИНДЕЛЬНЫЙ СПОСОБ
БУРЕНИЯ ................................................................................................ 161
8.1. Роторный способ ............................................................................. 161
8.2. Электробурение ............................................................................... 164
8.3. Роторно-шпиндельный способ бурения ....................................... 166
9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПОСОБА БУРЕНИЯ И МОДЕЛИ
ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ .................................................................... 172
9.1. Взаимосвязь между технологическими параметрами
при бурении скважин .................................................................172
9.2. Влияние осевых усилий на частоту вращения вала
турбобура ......................................................................................... 172
9.3. Выбор способа бурения .................................................................. 174
9.4. Выбор модели турбобура и ГЗД .................................................... 178
9.5. Комбинирование турбинок турбобуров ........................................ 180
10. ПОНЯТИЕ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ, ОПТИМИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИИ В БУРЕНИИ СКВАЖИН ........................................182
10.1. Общее понятие об оптимизации и управлении ......................... 182
10.2. Оптимизация углубления скважин .............................................. 183
10.3. О математических моделях процесса углубления скважин ...... 184
10.4. Каналы связи в бурении ............................................................... 186
10.5. Приборы контроля режимных и других параметров при
углублении скважин ...................................................................... 186
10.6. Отработка долот ............................................................................ 188
10.7. Устройства подачи долота ............................................................ 189
Приложения ............................................................................................ 190
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................... 202
5
Стр.5
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране проводку скважин довольно успешно осуществляли
и осуществляют с применением забойных двигателей (до 80% и более от
числа всех проводок), в связи с чем разработано достаточно большое количество
конструкций забойных двигателей, в основном гидравлических,
и в первую очередь турбобуров, а также долот, приспособленных к работе с
таким приводом. Выпускаемые забойные двигатели позволяют бурить скважины
различной глубины с разными типами профиля, с широкими диапазонами
изменения типа и свойств промывочных жидкостей и параметров режима
бурения, с применением разных типоразмеров породоразрушающего
инструмента.
Но более сложная, чем при роторном способе, технология углубления
скважин с ГЗД и специфика организации буровых работ в нашей стране
обусловили определенное отставание разработок в бурении и, в частности,
в теории технологии углубления скважин. Это явилось одной из главных
причин того, что с 1961 г. в нашей стране не выпускалось учебников по
технологии бурения глубоких скважин на нефть и газ, а с 1966 г. не было
официального пособия для решения практических задач по бурению таких
скважин. Причем многие инженерно-расчетные методы в технологии углубления
скважин оказались неприемлемыми по разным причинам. Среди них:
недостаточным объемом скважинной информации и, как следствие, некорректной
оценкой возможностей бурильного инструмента, в частности долот,
несмотря на большой объем стендовых исследований, например в УНИ.
Так, глубина внедрения зуба шарошечного долота оценивалась в размере до
75% высоты зубца при огромном для забойных условий его скольжении по
забою. Возможности разрушения пород струёй жидкости, выходящей из
промывочного узла долот, значительно завышались. В результате, например,
в Тюменской области в течение 15 лет насадки долот продолжают снимать
непосредственно на буровой, часто не заменяя другими. Это влечет за собой
потерю огромных денежных средств.
До сих пор имелись существенные недостатки в методах проектирования
параметров режима углубления скважин. Не предлагалось приемлемого
определения способов бурения, как способов реализации формируемой на
устье скважины и расходуемой на ее забое мощности. В результате эффективность
способов бурения в конкретных условиях часто оценивалась бурением
неоправданно большого количества скважин.
Многие расчеты в технологии бурения еще производятся в статике,
хотя известно, что подведенная к забою мощность реализуется в течение
периода осевых зубцовых вибраций долота. Можно продолжить перечень
6
Стр.6
недостатков в технологии бурения и убедиться в причинах низкого уровня
оптимизации процесса управления углублением скважин, в причинах неоправданно
большого количества одновременно выпускающихся забойных
двигателей, а также в одной из причин, почему часто инженеры-буровики
вынуждены работать на уровне техника-оператора, а не инженера.
В данной работе по возможности устранены недостатки в расчетных
методах, связанные с углублением скважин. Это позволяет повысить качество
проектов на их проводку и уровень управления процессом углубления
скважин; избежать в технологии углубления скважин типичных ошибок,
связанных с работой бурового машинного агрегата.
Так, при аналитическом методе проектирования режима углубления
скважин учитываются те параметры и исходные данные, которые определяют
энергетику разрушения пород на их забое и эффективную работу планируемого
привода долота. Такой подход позволил усовершенствовать проектирование
компоновки бурильной колонны, модели забойного двигателя
и диаметра струйных насадок долот без предварительного расчета потерь
напора в гидравлическом тракте скважины. Кроме новых методов расчета
и проектирования параметров, необходимых для эффективного углубления
скважин, предложен один из вариантов технической характеристики турбобура,
который дает возможность более правильно оценивать работу машинного
агрегата, коротко освещен вопрос о новом роторно-шпиндельном
способе бурения, учитывающем преимущества роторного и турбинного
способов. В данной работе приведены примеры расчетов для повышения
эффективности освоения технологии бурения скважин, приведены технологические
характеристики основных моделей забойных двигателей, а также
новые сведения об устройствах и процессах для повышения эффективности
углубления скважин со ссылками на первоисточники.
7
Стр.7