Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
выборочного контроля, при котором оцениваются: прямолинейность - по двойной вели- чине прогиба трубы по ее длине (эта величина должна быть не более 6-12 мм для труб ниппельного соединения и 18 мм муфтово-замкового); соот- ветствие параметров резьбы, соосность соединений. 9 Предельный абразивный износ труб не должен превышать 3 мм по диаметру. В зависимости от величины износа трубы подразделяются на три класса: 1) износ до 1 мм 2) износ до 2 мм 3) износ до 2,5 мм Трубы первого класса используются при бурении глубоких скважин, а третьего - мелких. Для защиты от абразивного износа применяются: - поверхностная индукционная термообработка на глубину 1-2 мм; - использование предохранительных резиновых колец-протекторов; - уменьшение коэффициента трения между бурильной колонной и стенками скважины путем использования смазывающих добавок к промы- вочной жидкости или смазок бурильной колонны. Для предупреждения заедания (свариваемости) резьбы используют специальные смазки на основе графита. Под эрозионным износом понимают поражение внутренней поверх- ности труб очагами коррозии, которые являются местами зарождения тре- щин усталости. В качестве мер предупреждения используют добавки в промывочную жидкость ингибиторов и специальную обработку внутренней поверхности труб полимерами. Влияние усталости металла проявляется в наибольшей мере в местах переменных напряжений. Для предупреждения этого явления реко- мендуется: - избегать резких изменений диаметров элементов бурильной колон- ны, устраняя места концентрации напряжений; - применять мало агрессивные промывочные жидкости; - использовать специальную обработку резьбы путем прокатки их ро- ликами; - не допускать вибрации бурильной колонны; - стремиться к минимальной стреле прогиба труб колонн: Система рациональной эксплуатации бурильных колонн предусматри- вает: - поступившие с завода бурильные трубы и соединения должны проходить входной контроль с выборочной проверкой качества; - бурильные колонны должны обладать равнопрочностью, для чего комп- лекты колонн формируются из труб одного класса с учетом глубины сква- жины и отрабатываются покомплектно. Резерв должен составлять с учетом коэффициента запаса для труб 1,15-1,30; для ниппелей 1,3-1,6; для замков 1,7-2,0. Ресурс работы новой колонны равен примерно 10 тыс.метров. Для обеспечения одинакового ресурса бурильные колонны рекомендуется от- рабатывать по переменно-последовательной системе, когда порядок пуска свечей колонны в работу после каждой скважины меняется на обратный. Свинчивание резьбовых соединений должно производиться с прило- жением достаточно большого крутящего момента. 10 3. КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН В процессе бурения скважины решаются задачи: 1) пробурить скважину быстрей и дешевле (количественная задача), 2) обеспечить получение необходимой геологической информации (качественная задача). Решение этих задач во многом зависит от того, насколько конструкция скважины отвечает условиям бурения. Конструкция скважины –это схема ее устройства с характеристикой изменения по глубине скважины наружных диаметров породоразрушающе- го инструмента и обсадных колонн. В понятие конструкции входят: - продольные размеры (глубина скважины или отдельных ее интерва- лов, длина обсадных колонн, высота подъема цементного раствора в зат- рубном пространстве); - поперечные размеры (диаметры скважины по интервалам глубин, наружные диаметры обсадных колонн); - тип соединений обсадных труб. Конструкция скважины должна обеспечивать возможность бурения до проектной глубины с использованием прогрессивной технологии без аварий и серьезных осложнений, проведение скважины в заданном направлении, получение керна в требуемом количестве и высокого качества. 3.1 ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ конструкций СКВАЖИН Конструкция скважины определяется целью бурения и назначением скважины, проектной ее глубиной, характеристикой геологического разреза. Обычно скважина в процессе бурения пересекает зоны возмож- ных геологических осложнений , что требует принятия предупредительных мер, в том числе перекрытия отдельных интервалов скважины стальными обсадными трубами. Поэтому скважины, как правило, имеют ступенчатую конструкцию. Перекрытию трубами обычно подлежат толщи рыхлых, склонных к обвалам пород; интервалы интенсивно трещиноватых и раздробленных пород, часто приуроченные к зонам тектонических нарушений; зоны интенсивного и катастрофического поглощения промывочной жидкости; старые горные выработки Проектирование конструкции скважины производится снизу вверх и начинается с выбора конечного диаметра. Конечный диаметр скважины зависит от типа месторождения, требова- ний опробования и определяется следующими факторами. 1. Обеспечение необходимой массы пробы полезного ископаемого с со- блюдением требуемого качества. В зависимости от вида полезного ископаемого и характера распреде- ления полезного компонента в горной породе установлены минимально допустимые диаметры керна, обеспечивающие получение представитель- ной пробы: - при равномерном распределении полезного компонента (черные метал- лы, уголь, нерудное сырье) - 22-32 мм ; 11 - большинство месторождений цветных металлов - 32-42 мм; - вкрапленные руды редких и благородных металлов, ртуть, бокситы - 60 мм. Масса пробы составляет К L D Р пр 2 4 где D –диаметр керна; пр L .- длина керна ; - плотность породы; K - коэффициент полноты выхода керна. Проба керна служит материалом для выполнения определенных ла- бораторных исследований, для каждого из которых требуется некоторая навеска горной породы. С учетом этого минимальный диаметр керна соста- вит: D = 4Р/ L пр К 2. Обеспечение возможности выполнения необходимых исследований в скважине. Определяется габаритами скважинных приборов и предусмотренными видами исследований. Диаметр большинства приборов, спускаемых в скважину, находится в диапазоне 34-42 мм. 3.Обеспечение возможности применения прогрессивных способов и техно- логий бурения. С уменьшением диаметра скважины снижается энергоем- кость процесса бурения, увеличивается скорость. С учетом перечисленных требований обычно принимаются следующие ко- нечные диаметры скважин: - месторождения каменного угля –76 мм (резервный 59 мм); - железорудные –59 (46) мм - полиметаллы –46-59 мм - вкрапленные руды, бокситы – 93 (76) мм - минеральные соли – 112 (93) мм. Увеличение конечного диаметра целесообразно при бурении скважин в ма- лоизученных районах (большая вероятность непредвиденных осложнений и непредусмотренного крепления трубами), а также при необходимости получения технологических проб керна большой массы. В любом случае следует оставлять резервный диаметр. После выбора конечного диаметра скважины определяются интервалы, которые необходимо перекрыть обсадными трубами. При этом могут быть использованы следующие типы обсадных колонн. 1. Направление -для укрепления устья скважины и отвода промывочной жидкости в желобную систему. Длина направления обычно составляет 5-10 метров (1-2 трубы). 2. Кондуктор - для перекрытия зон осложнения в верхних интервалах скважины. Глубина спуска 50-300 метров. 3. Техническая колонна – для перекрытия зон осложнения на больших глубинах, до 800 – 1000 метров. Технических колонн может быть несколь- ко. 4. Потайная колонна, которая в отличие от вышеперечисленных колонн не имеет выхода на дневную поверхность (установлена впотай). Обычно при- меняется для перекрытия зон осложнения на особо больших глубинах (свыше 1000 метров). 12 Большинство обсадных колонн имеют выход на дневную поверхность, что облегчает технологию их цементирования и обеспечивает возможность извлечения труб после окончания бурения скважины. Недостаток потайных колонн состоит кроме этого в наличии металлического уступа в верхней части колонны, что приводит к повышенному износу коронок, особенно ал- мазных, при спуске инструмента в скважину. При проектировании конструкций скважин необходимо также учиты- вать: - целесообразность сохранения постоянного диаметра скважины на мак- симально возможном интервале глубин. Открытый ствол скважины (неза- крепленный интервал) бурится, как правило, коронками одного диаметра; - возможность использования коронок малых диаметров (46-76 мм), обес- печивающих лучшие технико-экономические показатели; - обеспечение малых зазоров между бурильной колонной и стенками скважины, особенно при алмазном бурении. Диаметр скважины в интервале перекрытия обсадными трубами прини- мается: а/ минимальным для обсадных труб принятого диаметра (например, 132 мм при трубах 127 мм.,151/146, 93/89 и т.д.); Этот вариант используется при установке труб без цементирования за- трубного пространства или при подъеме цементного раствора на неболь- шую высоту. б/ на один размер больше минимального диаметра (151/127, 112/89 и т.п.) - при большой высоте подъема цементного раствора для снижения гидрав- лических сопротивлений при цементировании; в/ на один размер меньше минимального диаметра с последующим раз- буриванием и калибровкой ствола скважины – для обеспечения центриро- вания колонны обсадных труб при забуривании скважины в рыхлых, сыпу- чих породах. В целом при проектировании конструкций скважин стремятся к максималь- ному их упрощению / в разумных пределах /, снижению металлоемкости и стоимости, используя методы беструбного крепления скважин . Шифр конструкции скважины включает диаметры скважины, наруж- ные диаметры обсадных труб, глубины их спуска или интервалы крепления. Пример: 151/146(10)132/108(300)93/89(980-1000)76(1100) 3.2 ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ Обсадные трубы, как и колонковые, изготавливаются в соответствии с ГОСТ 6238-77. Предусмотрено изготовление труб ниппельного и безнип- пельного / труба в трубу / соединений. Обсадные колонны ниппельного со- единения более прочны, но их недостаток - наличие металлических уступов внутри колонны в местах соединений, так как ниппель имеет меньший внутренний диаметр, чем труба. Колонны безниппельного соединения гладкоствольны по наружному и внутреннему диаметрам и рекомендуются для использования при алмазном бурении (сохранность коронок при спуске снаряда). Резьбы трапецеидальные, шаг 4 мм., могут быть правые и левые. 13 Ниже приведены основные параметры труб D нар., мм. Нипп. соедин. Безнип. соедин. Толщи- на стенки, мм. Масса 1 мет- ра, кг. D внутр., Ниппе- ля, мм. Длина резьбы мм. 44 44 - + 3,5 3,5 - 40 575 57 - + 4,5 5,83 - 40 73 + + 5.0 8.38 62 40 89 + + 5.0 10.36 78 40 108 + - 5.0 12.7 95.5 60 127 + - 5.0 15.4 114.5 60 146 + - 5.0 17.4 134.0 60 3.3 ТЕХНОЛОГИЯ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН При производстве работ по креплению скважин необходимо обеспечи- вать: Беспрепятственный спуск обсадной колонны до проектной глубины ; Надежность соединения труб; Свободный проход бурового снаряда внутрь колонны; Предотвращение ухода колонны при последующем бурении; Предотвращение потерь промывочной жидкости под обсадную колонну. Возможны следующие варианты закрепления колонн: 1. Установка обсадных колонн на уступ крепких пород. Применяется при небольшой глубине спуска для перекрытия зон рыхлых неустойчивых по- род. 2 Задавливание обсадной колонны в толщу глинистых пород или достав- ленную на забой скважины глину. Применяется при бурении неглубоких скважин. 3.Цементирование нижней части обсадной колонны (подбашмачное цемен- тирование). Применяется при перекрытии интервалов нарушенных пород и зон поглощения в скважинах средних глубин. 4. Цементирование обсадной колонны по всей длине с выходом цементного раствора к устью скважины. Применяется при длительных сроках бурения скважин. Башмак обсадных труб обычно устанавливается ниже интервала зоны осложнения на 1-5 метров. Перед обсадкой скважины производится тщательная ее промывка, прора- ботка уступов или мест сужения ствола, контрольный замер глубины, Про- веряется качество труб и соединений, трубы подбираются по длине и ну- меруются. Эти данные записываются в буровой журнал. На первую трубу навинчивается башмак. 14 Спуск колонны производится путем постепенного наращивания секциями по две трубы, для облегчения спуска наружная поверхность труб смазыва- ется. При больших глубинах спуска на первой трубе устанавливается об- ратный клапан. Предельная глубина спуска обсадных колонн без обратного клапана 900- 1000 метров. Lmax= Fo т / q (1- ж / м)К, Где Fo - площадь опасного сечения, т-предел текучести материала труб, q- масса одного метра трубы , ж, м-плотности жидкости и металла, К -коэффициент запаса. Цементирование обсадных колонн производится с целью их закрепления в скважине и предотвращения ухода вниз в процессе бурения, изоляции за- трубного пространства для предотвращения потери промывочной жидко- сти под башмак колонны или в случае ее протирания, для устранения воз- можности изгиба обсадных труб при бурении и последующего нарушения их целостности. Процесс цементирования может выполняться следующими способами: - Доставка цементного раствора на забой скважины через бурильную ко- лонну с выдавливанием его из бурильной колонны продавочной жидкостью и последующим разбуриванием цементного стакана внутри обсадных труб после затвердевания. Возможно применение при подбашмачном цементи- ровании. Недостаток - излишний расход цемента. - Доставка цементного раствора путем прокачивания через обсадную ко- лонну с последующим продавливанием продавочной жидкостью. Объем цементного раствора и продавочной жидкости рассчитывается из условия подъема раствора в затрубном пространстве на необходимую высоту с ос- тавлением в обсадной колонне цементного стакана высотой 1-2 метра. По- сле продавливания обсадная колонна герметизируется у устья скважины и выдерживается до затвердевания цементного раствора. - Во избежание разжижения цементного раствора на контакте с продавоч- ной жидкостью между ними устанавливается деревянная разделительная пробка, а в нижней части обсадной колонны на высоте цементного стакана закрепляется стопорное кольцо. При продавливании цементного раствора пробка перемещается вниз до стопорного кольца, после достижения кото- рого пробка останавливается и повышается давление насоса, что сигнали- зирует о завершении операции продавливания. Колонна герметизируется. - Цементирование потайных колонн выполняется путем доставки раствора через бурильную колонну. Переходник с бурильной колонны на обсадную оснащен обратным клапаном. После продавливания расчетного количества цементного раствора бурильная колонна отвинчивается от обсадной на переходнике с левой резьбой. 15 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Под технологическим режимом бурения понимается совокупность параметров, характеризующих работу породоразрушающего инструмента, регулируемых с поверхности. При вращательном бурении к этим параметрам относятся: - Осевая нагрузка ( Сос.) , даН / 1 Дан = 10 Н = 1 кгс / - Частота вращения (n) , об/мин - Расход промывочной жидкости ( Q ) , л/мин Различают режимы: - оптимальный, обеспечивающий получение наивысших показателей; - рациональный, устанавливаемый с учетом возможностей оборудования и инструмента; - специальный, применяемый для получения высоких качественных показа- телей или при производстве специальных работ. Осевая нагрузкаопределяет силу, приложенную по оси бурового снаряда к породоразрушающему инструменту. От ее величины зависит ха- рактер разрушения горной породы и величина напряжений в ней. В зависимости от предела прочности породы и возникающего под дей- ствием осевой нагрузки напряжения при бурении могут иметь место по- верхностное истирание, усталостное или объемное, наиболее эффектив- ное, разрушение. Верхний предел осевой нагрузки ограничивается механической прочно- стью элементов коронки, прочностью бурильной колонны, чрезмерным ис- кривлением скважины или возникновением зашламования, когда под тор- цом коронки образуется слой уплотненного шлама, препятствующий раз- витию напряжений в массиве горной породы. Величина осевой нагрузки рассчитывается, исходя из рациональных значений удельной нагрузки, приходящейся на один резец твердосплавной коронки, 1см² площади торца алмазной коронки или 1 см. диаметра доло- та: C ос. = С уд. n ( или F, D ), где n – число резцов твердосплавной коронки, участвующих в разрушении забоя скважины; F – площадь торца алмазной коронки; D – диаметр долота. Осевая нагрузка создается массой бурильной колонны с приложением дополнительной нагрузки или разгрузки от системы подачи станка. Факти- ческая нагрузка обычно меньше фиксируемой по поверхностным приборам из-за трения колонны о стенки скважины и распорного усилия на гребнях полу- волн изгиба бурильных труб. Кроме того, фактическая осевая нагрузка мо- жет уменьшаться вследствие возникновения гидроподпора, то есть усилия, действующего на буровой инструмент вверх из-за разности давлений жид- кости внутри и снаружи колонкового набора. Для более эффективной передачи осевой нагрузки нижнюю часть бу- рильной колонны рекомендуется комплектовать из утяжеленных бурильных труб. 16 Частота вращения определяет линейную скорость элементов воо- ружения породоразрушающего инструмента и частоту поражения ими за- боя скважины. С увеличением частоты вращения до некоторого предела механическая скорость возрастает. Ограничивается прочностью бурильной колонны, мощностью привода станка, возникновением динамических нагрузок (виб- раций), интенсивным износом твердосплавных резцов. Рассчитывается с учетом рациональных значений окружной скорости: |