Тема 9: Гидравлическая программа бурения скважины.

Практическое занятие № 17.Составление гидравлической программы бурения

скважины.

Цель работы: выбор и расчет технологически необходимого хода бурового раствора по интервалам для роторного и турбинного способов бурения.

Исходный материал: ГТН. исходные донные.

Ход выполнения работы:

1.Краткое объяснение преподавателем элементов гидравлической программы.

2.Самостоятельное чтение теоретического материала 17.

3.Самостоятельное составление гидравлической программы для интервалов.

Теоретический материал 17:

. Гидравлическая программа бурения скважин

Основные задачи при составлении гидравлической программы бурения скважины определяют выбор технологически необходимого хода бурового раствора по интервалам, оптимальной схемы и режима очистки забоя скважины и рационального использования гидравлической мощности буровых насосов.

Расход бурового раствора (м³/с) определяется по формуле

Q=n π/4 (D_ск –d_бт)V (9.32)

где D – диаметр скважины, м; d – диаметр бурильных труб, м; v_в.п – скорость восходящего потока, м/с, для мягких пород v_в.п = = 1,5 м/с, для очень крепких – v_в.п = 0,4 м/с.

Выбранный расход бурового раствора должен удовлетворять сле­дующим требованиям:

гидродинамическое давление на вскрываемый пласт р_гд должно быть меньше, чем давление гидроразрыва пласта р_гр;

при вскрытии интервалов, сложенных неустойчивыми породами, склонными к кавернообразованию (обвалам, осыпям), необходимо поддерживать ламинарный режим течения бурового раствора в коль­цевом пространстве скважины.

Технические характеристики очистных устройств должны обеспечи­вать требуемую степень очистки бурового раствора при выбранном его расходе и заданной, максимально допустимой концентрации шла­ма в потоке.

Режим течения промывочной жидкости определяется средней скоростью потока, плотностью и реологическими характеристиками жидкостей, а также размерами канала. Область существования лами­нарного режима течения воды и других вязких жидкостей определяет­ся условием:

(9.33)

где Re – критерий Рейнольдса.

При промывке скважины водой критерий Рейнольдса рассчитывается по формулам:

для бурильных (утяжеленных) труб:

(9.34)

(µ – динамический коэффициент вязкости воды, Па⋅с; d₀ – внутренний диаметр бурильных (утяжеленных) труб, м; Q – объемный расход бу­рового раствора, м³/с);

для кольцевого пространства

(9.35)

Если критерий Рейнольдса больше его критического значения Re > Re_кр, то режим течения будет турбулентным.

При промывке скважин вязкопластичными буровыми растворами режим течения зависит от критерия подобия Хедстрема (He):

для бурильных труб

(9.36)

(T₀ - динамическое напряжение сдвига, Па; ц - пластическая вязкость, Пас);

для кольцевого пространства.

(9.37)

Если критерий Рейнольдса меньше критического значения Re_кр, т.е.

(7.38)

режим течения ламинарный. При Re > Re_кр режим течения турбулент­ный. Критическое значение критерия Рейнольдса можно определить по формуле:

(9.39)

Для определения режима течения бурового раствора в бурильных трубах или кольцевом пространстве необходимо по формулам (7.34) или (7.35) рассчитать критерий Рейнольдса Re. В случае если при про­мывке скважины используют вязкопластичную промывочную жид­кость, в этих формулах величину µ следует заменить на пластическую вязкость η, по формулам (7.36) или (7.37) вычислить критерий Хедстрема Не, а затем по формуле (7.39) найти соответствующее значение Re_кр и сопоставить его с вычисленным значением критерия Re.

Баланс давления. Уравнение баланса давления в бурящейся сква­жине имеет вид

(9.40)

где р₀ – рабочее давление буровых насосов; р_м – потери давления в нагнетательном трубопроводе и элементах наземного оборудования; р_б.к – потери давления в бурильной колонне; р_к.п – потери давления в кольцевом

пространстве; р_д – потери давления в насадках долота; р_дв – перепад давления в забойном двигателе.

Рабочее давление буровых насосов следует устанавливать в преде­лах

(9.41)

где р_0max – максимальное (паспортное) давление буровых насосов при заданных их подаче и размере втулок.

Потери давления в циркуляционных элементах наземного обо­рудования с достаточной для практики точностью можно определить по формуле:

(9.42)

Коэффициент гидравлических потерь a_м находится по табл. 9.33, как сумма коэффициентов потерь a_мi в отдельных элементах циркуля­ционной системы

Т а б л и ц а 9.33

Элементы циркуляционной	Диаметр проходного сече-	Коэффициент
системы	ния d⋅10–3, м	aмi⋅104, м4
Стояк	114	3,35
	141	1,07
	168	0,40
Буровой шланг	76	1,20
	90	0,52
	100	0,28
Вертлюг	75	0,90
	90	0,44
	103	0,29
Ведущая труба	74	1,80
	85	0,90
	100	0,40

Потери давления (в Па) в бурильной колонне складываются из по­терь давления в гладкой части бурильных труб р_т, дополнительных потерь давления в замковых (и муфтовых) р_зам соединениях и потерь давления в утяжеленных бурильных трубах р_убт:

(9.43)

Потери давления (в Па) в гладкой части бурильных труб и в утяжеленных

(9.44)

где λ_т(убт) – коэффициент гидравлического сопротивления; L_i – длина i-го участка бурильной колонны (УБТ), м; d_0i – внутренний диаметр i-го участка бурильной колонны (УБТ), м. При ламинарном режиме течения

(9.45)

Безразмерный коэффициент У₁ находят по кривой 1 (рис. 9.2), зная соответствующее значение критерия Сен-Венана: (9.46)

Рис. 9 2. Зависимость безразмерного параметра У₁ от критерия Сен-Венана (Sen.) при ламирном режиме высокопластичных буровых растворов в бурильных трубах (1) и кольцевом пространстве (2)

При турбулентном режиме течения λ_т(убт) определяется по кривой 1, рис. 9.3 в зависимости от значения критерия Рейнольдса.

Для легкосплавных бурильных труб при турбулентном режиме те­чения коэффициент λ следует принимать равным 0,85 от значения, найденного для стальных бурильных труб по рис. 9.3. Потери давления (в Па) в замковых (муфтовых) соединениях определяются по формуле:

(9.47)

Рис. 93. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления λ от крите­рия Рейнольдса (Re) при турбулентном течении вязкопластичных буровых раство­ров в бурильных трубах (1), в обсаженном (2) и необсаженном (3) кольцевом про­странстве скважины где n – число замковых соединения по длине колонны; ξ – коэф­фициент гидравлического сопротивления замкового (муфтового) со­единения,

d_min – минимальный диаметр проходного сечения в высаженной части бурильной трубы, замковом (муфтовом) соединении, м.

Потери давления (в Па) в кольцевом пространстве складываются из потерь давления на участках с постоянными замерами поперечного сечения р′_к.п и дополнительных потерь на местные сопротивления (замковые соединения, элементы компоновки низа бурильной колон­ны) р″_к.п:

(9.49)

Потери давления (в Па) в кольцевом пространстве рассчитываются раздельно для обсаженной и необсаженной частей ствола скважины по участкам, длины которых определяются одинаковыми диаметральны­ми размерами проходного сечения:

(9.50)

При ламинарном режиме течения бурового раствора λ_к.п определя­ется по формуле (9.45). Величину У₁ можно найти по кривой 2 (см. рис. 9.2), имея значение критерия Сен-Венана (Sen.) для кольцевого пространства:

При турбулентном режиме течения промывочной жидкости λ_к.п оп­ределяется по кривым 2 и 3 (см. рис. 9 3) для обсаженного и необсаженного участков ствола скважины соответственно. При промывке водой λ_к.п определяется по формуле (9.45) при У₁ = 1 для ламинарного режима течения и принимается постоянной и равной 0,022 для турбу­лентного режима течения.

Дополнительные потери давления (в Па) для преодоления местных сопротивлений в кольцевом пространстве определяются по формуле

﴾ 9.52﴿

где ξ_к.п – сумма коэффициентов местных сопротивлений ξ_i в кольцевом пространстве скважины;

(9.53)

Гидравлическое давление на пласт (в Па)

(9.54)

где Н – глубина забоя скважины по вертикали, м; g – ускорение сво­бодного падения, м/с².

Перепад давления, в забойном двигателе р_дв, определяется по пас­портной характеристике двигателя при соответствующих значениях плотности и расходе бурового раствора.

Определение перепада давления и диаметров насадок гидромо­ниторных долот. Эффективность очистки забоя бурящейся скважины обусловлена режимом подачи бурового раствора на забой: расположе­нием промывочных узлов долота, количеством подводимого к забою бурового раствора Q_д и скоростью ее истечения из насадок долота v_д. Перепад давления (в Па) на долоте должен удовлетворять уравнению баланса давления (9.40):

(9.55)

Если в долоте устанавливаются насадки с одинаковыми внутрен­ними диаметрами выходных сечений, то последнее можно определить по формуле ﴾9.56﴿

где z - число насадок в долоте. Пример 9.11. Составление гидравлической программы бурения скважин. Назначение скважины-эксплуатация,проектная глубина- 1200м,скважина вертикальная. Диаметр гидромониторного долота 215,9мм. Тип турбобура 3ТСШ 195ТЛ На буровой установлено два буровых насоса У8-6МА , коэффициент наполнения насосов n= 0,85

. Бурильные трубы ТБПВ наружным диаметром 127 мм и толщиной стенки δ = 9 мм. Утяжеленные бурильные трубы УБТ диаметром 178 мм, длиной 100 м и внутренним диаметром 80 мм.

Оборудование напорной линии включает следующие элементы: стояк диаметром 0,141 м, буровой шланг с внутренним диаметром 0,090 м, вертлюг с условным диамет­ром проходного сечения 0,090 м, ведущую трубу с диаметром проходного сечения 0,090 м, горизонтальный нагнетательный трубопровод длиной 60 м выполнен из труб диамет­ром 0,168 м с толщиной стенки δ = 12 мм. Максимально допустимое рабочее давление напорной линии 25,0 МПа. Перепад давления на турбобуре 3ТСШ 195ТЛ р _дв = 5,5 МПа при течении бурового раствора плотностью р₀ = 1000 кг/м³.

Реологические свойства раствора: т₀ = 2,5 Па; г, = 0,014 Пас. Давление гидроразры­ва на глубине 1200 м P_гр = 16,8 МПа.

Р е ш е н и е. 1. Выбор расхода бурового раствора и рабочего давления буровых на­сосов.

Для обеспечения нормальной работы турбобура 3ТСШ 195ТЛ расход бурового рас­твора Q принимается равным 0,040 м³/с Такой расход может быть получен при работе двух насосов У8-6МА, оснащенных втулками диаметром 0,140 м (Q ₀ = 0,047 м/c):

При работе с втулками диаметром 0,140 м паспортное максимально допустимое ра­бочее давление бурового насоса У8-6МА р _{0 max} = 22,5 МПа. Согласно условию (7.41), с учетом опыта эксплуатации буровых насосов в конкретном районе рабочее давление принимается равным 0,85. Тогда

2. Определение режима течения бурового раствора. По формулам (9.36) и (9.37) вы­числяют критерий Хедстрема:

В бурильных трубах (внутренний диаметр d ₀ = 0,109 м)

в кольцевом пространстве

Согласно формуле (9.39) этим значениям критерия Хедстрема соответствуют крити­ческие значения критерия Рейнольдса, в бурильных трубах Re_{кр т} « 9,010³ и в кольцевом пространстве Re_кр.к.п = 7,5-10³.

По формулам (9.34) и (9.35) находят критерий Рейнольдса:

в кольцевом пространстве

в бурильных трубах

Поскольку полученные значения критерия Рейнольдса Re больше критических ве личин Re_кр, режим течения в бурильных трубах и кольцевом пространстве будет турбулентным. Можно показать, что в данном случае режим течения бурового раствора в УБТ

и в кольцевом пространстве скважин в зоне УБТ тоже будет турбулентным. Результаты для интервала бурения 0–1200 м следующие: для бурильных труб Не_т = 1,67⋅10⁵; Re_кр.т = 9,0⋅10³; Re_т = 36,7⋅10³; для кольцевого пространства Не_к.п = 1,11⋅10⁵; Re_кр.к.п = 7,5⋅10³; Re_к.п = 11,7⋅10³.

3. Расчет потерь давления в циркуляционной системе. Рассмотрим баланс давления в скважине для интервала бурения до 1200 м. Потери давления в горизонтальной части нагнетательного трубопровода находим по формуле (9.44):

Здесь d = 0,168 м - наружный диаметр нагнетательного трубопровода; 5 = 0,012 м - толщи­на стенки; X - коэффициент гидравлического сопротивления, принимается X = 0,02.

Потери давления в элементах наземного оборудования определяются по формуле (9.42):

где согласно табл. 7.33 для данного оборудования

Потери давления в бурильных трубах внутренним диаметром d₀ = 0,109 м (d₀ = d_т -25 = 0,127 - 2-0,009) и длиной L _т = 1074 м (L_т = Н_скв - L_дв - L_убт = 1200 - - 26 - 100) опреде­ляются по формуле (9.44):

где К = 0,027 определяется по кривой 1 (см. рис. 9.3) для Re_т = 36,7-10³ (см. п. 2 приме­ра).

Потери давления в утяжеленных бурильных трубах внутренним диаметром d₀ = 0,080 м и длиной L_убт = 100 м рассчитываются по формуле (9.44):

Здесь V= 0,0255 - определяется по кривой 1 (см. рис. 9.3) для критерия Рейнольд-са при течении в УБТ, вычисленного по формуле (9.34), Re_убт = 5,0-10⁴.

Потери давления в кольцевом пространстве, образованном стенками скважины диа­метром D = 0,2159 м и бурильной колонной диаметром d_т = 0,127 м, определяются по формуле (9.50):

Здесь Х_кпт = 0,038 - находится при кривой 3 (см. рис. 9.4) для Re_к.п = 11,710³.

Потери давления в кольцевом пространстве, образованном стенками скважины и утяжеленными бурильными трубами диаметром d_убт = 0,178 м, определяются по форму­ле (9.50):

Здесь Хк_.п.убт = 0,039 - определяется по кривой 3 (см. рис. 9.4.) для Re = 10,2-10³, вычис­ленного по формуле (9.35).

Потери давления в кольцевом пространстве, образованном стенками скважины и турбобуром диаметром d_дв = 0,195 м, рассчитывается по формуле (9.50):

Здесь К_п.дв = 0,0395 - определяется по кривой 3 (см. рис. 9.4) для Re = = 9,7-10³, вычисленного по формуле (9.35).

Потери давления в турбобуре при течении промывочной жидкости плотностью р = 1100 кг/м³ определяются по формуле:

Здесь р_дв0 = 6,5 МПа – потери давления в турбобуре при течении жидкости плотно­стью ρ_в = 1000 кг/м³.

Суммарные потери давления в циркуляционной системе

Резерв давления для реализации в промывочных узлах (насадках) гидромониторного долота

4. Оценка возможности гидроразрыва пластов. Давление в циркуляционной системе скважины может вызвать гидроразрыва пластов, если это давление превышает давление гидроразрыва

Максимальное давление в процессе циркуляции бурового раствора будет на забое скважины и определяется по формуле (9.54). Для глубины скважины Н_скв = = 1200 м это давление будет

Из сравнения значений гидродинамического давления на пласты и давлений гидро­разрыва пластов следует, что р_гд < р_гр (15,2 < 16,8). Это означает, что гидроразрыва пла­стов в процессе циркуляции бурового раствора в скважине не произойдет.

5. Определение перепада давления на долоте и диаметров гидромониторных наса­док. Зная действительный расход Qд и предполагая, что долото будет оснащаться тремя насадками одного диаметра d_н, по формуле (9.56) определяют расчетный диаметр насад­ки для интервала бурения до 1200 м:

Округляя это значение до ближайшего большего размера насадки, выпускаемой промышленностью, получаем фактический размер насадки для этого интервала бурения d_н.ф = 0,013 м. После чего из формулы (7.56) определяется фактический перепад давле­ния на долоте:

Тогда действительное значение давления на буровых насосах р_0ф в конце интервала бурения

(1200 м) составит:

что допустимо, так как максимальное рабочее давление в напорной линии может дости­гать 25,0 МПа.

Контрольные вопросы.

1.Назовити основные задачи при составлении гидравлической программы

бурения скважины

2 Каким требованиям должен удовлетворять выбранный расход бурового

раствора

3. По каким параметрам определяется режим течения бурового раствора.