Тульских.О.И. буровые станки контрольная. Контрольная работа по дисциплине Буровые станки и бурение скважин
 Скачать 137.13 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Геолого-географический факультет Кафедра геологии, геодезии и кадастра КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Буровые станки и бурение скважин» Руководитель Куделина И.В. «___»_____________20__г. Исполнитель студент группы З-19ПГ(с)ГС Тульских О.И. «22» ноября 2021г. Оренбург 2021 Вопросы для выполнения контрольной работы по дисциплине Буровые станки и бурение скважин 1.Основные сведения о бурении скважин. В нефтегазовой отрасли бурят скважины следующего назначения: 1. Эксплуатационные – для добычи нефти, газа и газового конденсата. 2. Нагнетательные – для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками. 3. Разведочные – для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания, испытания и оценки их промышленного значения. 4. Специальные - опорные, параметрические, оценочные, контрольные – для изучения геологического строения малоизвестного района, определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов, наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степени выработки отдельных участков пласта, термического воздействия на пласт, обеспечения внутрипластового горения, газификации нефти, сброса сточных вод в глубокозалегающие поглощающие пласты и др. 5. Структурно-поисковые – для уточнения положения перспективных нефтегазоносных структур по повторяющим их очертания верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, по данным бурения мелких, менее дорогих скважин небольшого диаметра. Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков). Однако промышленное применение находят только способы механического бурения – ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки. 2.Физико-механические свойства горных пород и их буримость. Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения – их упругие и пластические свойства, твердость, абразивность и сплошность Земная кора сложена главным образом изверженными и метаморфическими горными породами, на которых прерывистым покровом лежат осадочные породы. В строении нефтяных и газовых месторождений принимают участие только осадочные горные породы. Важными признаками строения осадочных горных пород, имеющими существенное значение при их разрушении, являются их структура и текстура. Под структурой горной породы понимаются те ее особенности, которые обусловлены формой, размерами и характером поверхности образующих их материалов. Большинство осадочных пород сложено рыхлыми сцементированными минеральными обломками различных размеров, имеющими неправильные очертания. Основная структурная особенность осадочных пород, характеризующая их механические свойства, структура цементов, связывающих отдельные обломки. Текстура указывает на особенности строения всей породы в целом и выявляет взаимное пространственное расположение минеральных частиц. Основные особенности текстуры осадочных пород слоистость, сланцеватость (способность породы раскалываться по параллельным плоскостям на тонкие пластинки) и пористость (пористостью называется отношение объема всех пустот к объему всей породы, выраженное в процентах). По природе сил сцепления между частицами осадочные породы подразделяются на три основные группы: 1. скальные, 2. связные (пластичные), 3. сыпучие. Силы сцепления скальных пород (песчаников, известняков, мергелей и др.) характеризуются молекулярным притяжением частиц друг к другу, а также наличием сил трения. Силы сцепления пластичных пород (глинистых) характеризуются взаимодействием коллоидных частиц, адсорбирующихся на поверхности обломков, а также наличием сил трения, Сыпучие породы (песок) не обладают сцеплением ни в сухом состоянии, ни при полном насыщении водой. Только при ограниченном насыщении водой у сыпучих пород наблюдаются силы сцепления, обусловленные трением. Кроме сил сцепления, всем породам присущи силы внутреннего трения, зависящие от давления, прижимающего частицы друг к другу. Упругие свойства горных пород. Все горные породы под воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исчезающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые пластическими. Большинство породообразующих минералов - тела упруго хрупкие, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости. Горные породы также относятся к упруго хрупким телам, но в отличие от минералов они подчиняются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки. Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, от структуры, текстуры и глубины залегания пород, от состава и строения цементирующего вещества у обломочных пород, от степени влажности, песчаности и карбонатности пород. Пластические свойства горных пород (пластичность). Разрушению некоторых пород предшествует пластическая деформация. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и некоторые породы, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется в постоянном росте деформации при неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности известняков. Твердость горных пород. Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление проникновению в нее (внедрению) породоразрушающего инструмента. К I группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабо сцементированные пески, суглинки, известняк-ракушечник, мергели, глины с частыми прослоями песчаников, мергелей и т. п.). Ко II группе относятся упругопластичные породы (сланцы, доломитизированные известняки, крепкие ангидриты, доломиты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцево-карбонатные породы и т. п.). К III группе относятся упругохрупкие, в основном изверженные и метаморфические породы. Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия. Абразивность пород проявляется в процессе изнашивания (преимущественно механического) и является его характеристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород. Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. В настоящее время разработано несколько классификаций по абразивности горных пород. Сплошность горных пород. Понятие «сплошность горных пород» предложено для оценки структурного состояния горных пород, которые, исходя из степени пригодности внутриструктурных нарушений (трещин, пор, поверхностей рыхлого контакта зерен и т. д.), передают внутрь породы давления внешней жидкостной или газовой среды. Разделяют четыре категории сплошности: к первой категории сплошности относятся породы, внутрь которых может проникнуть исходный глинистый раствор; ко второй – породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы; к третьей – породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды); к четвертой – породы, внутрь которых внешнее гидравлическое давление не передается. 3.Разрушение горных пород при бурении. Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, – вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площадки контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны. Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружении штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. При бурении нефтяных и газовых скважин основным инструментом, при помощи которого разрушается горная порода, является долото. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения: 1) поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой); 2) вращательного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб. Горная порода разрушается долотом посредством резания, скалывания или дробления. При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания. 4.Ударное и вращательное механическое бурение. Различают медленновращательное бурение на бурильных и обсадных трубах, а ударное — с отрывом («клюющий способ») и без отрыва (забивной способ) породоразрушающего инструмента от забоя. Простые по устройству, легкие передвижные и самоходные установки УБР-1, УБР-2, УБР-2М и другие выпускаются взамен ручных комплектов «Эмпайр» и позволяют бурить указанными способами в любой последовательности с одновременным креплением скважин обсадными трубами. Подъем и сбрасывание ударного снаряда на канате производятся лебедкой или ударным механизмом, а вращение бурового снаряда и обсадных труб — подвижным вращателем. Ударное бурение в основном ведется по способу забивки, т. е. без отрыва породоразрушающего инструмента от забоя. Сущность его заключается в том, что породоразрушающий инструмент (буровой стакан или грунтонос) со специальным ударником и ударной штангой на канате опускается на забой. Ударной штангой наносятся удары по наковальне, и породоразрушающий инструмент, не отрываясь от забоя, внедряется в породу, выбуривая керн. При вращательном бурении направленное под острым углом к забою лезвие буровой ложки срезает слой рыхлой породы, которая поднимается во внутреннюю полость бура и извлекается на поверхность при его подъеме. В связных породах змеевик ввинчивается, как штопор, в породу, а отделение ее от массива производится при отрыве инструмента от забоя. При этом отбираются образцы грунта без существенных изменений его структуры. 5.Шнековое бурение. Вибрационное бурение. Шнековое бурение применяется на глубину до 50—80 м диаметром от 60 до 400 мм в мягких и рыхлых породах I—IV категории. При этом способе бурения порода разрушается долотом, а транспортируется — шнеками, которые представляют собой трубу с закрепленной на ней винтообразно стальной лентой. Шнек, ввинчиваясь в разрушенную долотом породу, как винт в гайку, поднимает ее к устью скважины. Порода поднимается за счет разности частот вращения шнеков и породы. Эта разность частот вращения обусловлена неодинаковой величиной коэффициента трения породы о стенки скважины и о винтовую поверхность шнека. При движении породы от забоя к устью происходит частичное втирание ее в стенки скважины, оштукатуривание и закрепление их. Долото охлаждается в результате быстрого внедрения во все новые слои пород с относительно низкой температурой. Высокая скорость углубки скважины обусловлена быстрым разрушением нетвердых пород и подъемом шнеками их крупных кусков без дополнительного дробления. Поскольку для шнекового бурения не требуется промывочной жидкости, то применять его особенно эффективно в безводных районах и условиях Севера, где преобладают низкие температуры. Преимуществами шнекового бурения являются: высокая механическая скорость (до 40—80 м/ч), незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции; возможность отбора керна при использовании колонковых шнеков; сравнительно большой диаметр скважины; отсутствие потребности в промывочной жидкости. К недостаткам следует отнести: большой расход мощности, небольшие глубины бурения и только в мягких породах, трудность составления качественной геологической документации. Вибробурение применяют преимущественно при инженерногеологических изысканиях, а также при разведке россыпных месторождений, газовой разведке на нефть, глубинной эмана- ционной съемке в относительно нетвердых породах I—IV категории по буримости. Различают две разновидности вибрационного бурения: чисто вибрационное и ударно-вибрационное. В первом случае инструменту передаются вибрационные нагрузки от вибратора, во втором — ударные импульсы высокой частоты от вибромолота. Вибромеханизмы также используются для погружения свай, спуска и извлечения обсадных труб, ликвидации аварий, связанных с прихватом снаряда на забое, очистки зондов и колонковых труб, разглинизации стенок скважин, интенсификации приготовления и очистки промывочных жидкостей и др. Сущность вибробурения заключается в следующем.Буровой снаряд, подсоединенный к вибромеханизму, поднимается лебедкой буровой установки или автокраном в вертикальное положение, устанавливается на грунт, и ему сообщаются вибрационные нагрузки или удары высокой частоты. Под влиянием вибрационной нагрузки частицы породы, расположенные в непосредственной близости от бурового снаряда, приводятся в колебательное движение и отделяются от массива. В результате этого значительно уменьшаются силы сцепления между частицами, а также трение между буровым снарядом и породой. Если амплитуда колебаний превышает размеры частиц, то вокруг бурового снаряда образуется подобие суспензии, и он погружается в породу под собственным весом. В песчаных породах влияние вибрации сказывается сильнее, чем в глинистых. Но в глинистых породах во время вибрации возникают тиксотропные явления, вызываемые переходом физически связанной воды в свободную. Порода разжижается. Свободная вода действует, как смазка, при погружении снаряда. При прекращении вибраций свободная вода переходит вновь в связанное состояние, и порода в образце практически не отличается от породы в массиве. Следовательно, эффективность вибробурения в значительной степени зависит от влажности проходимых пород. При виброударном бурении разрушение происходит путем дробления и вытеснения породы. В настоящее время чаще используют виброударное бурение. 6. Буровой инструмент. Буровой снаряд для вибробурения состоит из бурильных труб и породоразрушающего инструмента. В качестве породоразрушающих инструментов наиболее часто применяют зонды, стаканы, грунтоносы, желонки. Зонд представляет собой трубу длиной 1—3 м с продольными прорезами, имеющую на верхнем конце переходник для присоединения к бурильным трубам, а на нижнем— заостренное кольцо (башмак). Башмак имеет толщину стенки несколько большую, чем корпус, что уменьшает трение зонда о породу. Угол заточки башмака от 15 до 60°. Режущая кромка наплавляется твердым сплавом или закаливается. В крупнообломочных породах (валунно-галечниковых) применяют зонды с зубчатыми башмаками. Ширина прореза зависит от свойств пород и в устойчивых породах имеет угол выреза 140—160°, в менее устойчивых—90—140°. Для очень плотных глинистых пород используют зонды с двумя или тремя прорезами. В этом случае для увеличения жесткости трубы прорезы по длине выполняются с перемычками. При бурении в несвязных породах применяют зонды с нижним клапаном. Зонд без прорезов называется стаканом. Грунтонос служит для отбора проб с ненарушенной структурой в рыхлых породах. Воздух или вода выталкивается керном через отверстие, закрываемое клапаном. При подъеме ненарушенный образец удерживается вакуумом, образующимся под клапаном. Извлекается керн вместе с разъемной трубой 5. Желонку используют для бурения сыпучих й плывучих пород. От зонда она отличается конструкцией башмака, отверстие которого полностью перекрывается одно- или многолепестковым клапаном. Бурильные трубы применяют диаметром 50 и 63,5 мм с замковыми соединениями. При глубинах бурения свыше 25 м их усиливают наваркой продольных стержней из профильного проката с целью увеличения жесткости и уменьшения декремента затухания колебаний. При бурении скважин переносными вибробурами используют шестигранные штанги диаметром 20—25 мм. Для крепления скважин применяют обсадные трубы диаметром 108, 127, 146 мм с ниппельными соединениями и 168 мм с муфтовыми соединениями. В комплект инструмента для вибробурения входят также различные переходники, приспособления для выполнения спускоподъемных операций, принадлежности к бурильным и обсадным трубам и т. д. При медленновращательном бурении в качестве породоразрушающих инструментов используются буровые ложки и змеевики. Буровые ложки могут быть закрытые, с клапаном, с одним или двумя лезвиями, с забурочным змеевиком. Различают также ложки обычные и эксцентрические. У последних ось головки и лезвия не совпадают с осью корпуса, поэтому скважина разбуривается на 12—35 мм больше диаметра бура. Буровые ложки изготовляют диаметром 250; 190; 145; 108; 79 и 47 мм, длиной 0,5—1м. Змеевики могут быть ступенчатые, с переменным шагом и имеют диаметр 190; 147; 108; 74 и 47 мм, длину 0,5—0,8 м. При ударном бурении твердых, крупнообломочных и валун- но-галечниковых пород применяется обычный породоразрушающий инструмент (долота, ударные штанги, желонки и т. п.), как и в комплектах ручного бурения. Но чаще всего при бурении в мягких породах используют ударные буровые стаканы, в связных глинистых породах — стаканы с одним или двумя продольными окнами, позволяющими описывать геологический разрез и легко очищать их от породы; в слабосвязных породах — стаканы с клапаном (клапанами), установленными в башмаке. В последнее время широко распространены разъемные стаканы, которые легко очищаются от породы. Стаканы изготовляют из обсадных (колонковых) труб или ниппельных заготовок диаметром 73, 89, 108, 127, 146, 168, 219 и 273 мм. |