3. Выбор и обоснование типа забойного двигателя

Тип забойного двигателя выбирается в зависимости от проектного профиля скважины, типоразмера долот, осевой нагрузки, плотности промывочной жидкости и удельного момента, обеспечивающего вращение долота.

Забойный двигатель должен соответствовать следующим требованиям:

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

- жесткость забойного двигателя должна соответствовать требованиям компоновки низу бурильной колонны для заданной траектории ствола скважины;

- расход промывочной должен быть близким к номинальному 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 этих значений, необходимых для разрушения горных пород.

Диаметр забойного двигателя в зависимости от диаметра долота определяется по следующей формуле:

, (12)

где D_зд - диаметр забойного двигателя, мм;

D_д - диаметр долота, мм.

Выбираемый турбобур должен развивать мощность, которая будет тратиться на работу долота под действием осевой нагрузки и на преодоление трения в опорах. Требуемый крутящий момент определяется по формуле:

, (13)

где М_р – момент необходимый для разрушения горной породы, Н*м;

М_о – момент необходимый для вращения ненагруженного долота, Н*м;

М_уд – удельный момент долота, Н*м/кН;

G_ос – осевая нагрузка на долото, кН.

Момент необходимый для вращения ненагруженного долота определяется по формуле:

, (14)

где D_д – диаметр долота, м.

Удельный момент долота определяется по формуле:

, (15)

где Q – расчетный коэффициент, принимаемый в расчетах 1-2 (принимается 1,5), Н*м/кН;

D_д – диаметр долота, см.

В Приложении 6 приводится пример оформления результатов проектирования параметров забойных двигателей по интервалам бурения. После этого производится выбор и обоснование типоразмеров и моделей забойных двигателей по интервалам бурения (пример представлен в Приложении 7), а также приводятся технические характеристики выбранных двигателей (пример представлен в Приложении 8).

4. Расчёт необходимого расхода бурового раствора

Расход промывочной жидкости должен обеспечить:

• эффективную очистку забоя скважины от шлама;

• транспортирование шлама на поверхность без аккумуляции его в кольцевом пространстве между бурильными трубами и стенками скважины;

• устойчивую работу забойного двигателя;

• предотвращение гидроразрыва горных пород;

• обеспечение гидромониторного эффекта;

• предотвращение размыва стенки скважины и т.д.

Расчет расхода промывочной жидкости для эффективной очистки забоя скважины осуществляется по формуле:

Q₁=К· S_ЗАБ, (16)

где К – коэффициент удельного расхода жидкости на 1 м² забоя;

S_ЗАБ – площадь забоя м², определяется по формуле:

S_ЗАБ =0,785·D_Д² (17)

Удельный расход раствора принимается в пределах от 0,3 до 0,65 м³/с. Большие значения берутся для мягких пород, так как в этом случае увеличивается объем шлама, образующегося в единицу времени.

Расход раствора Q₂ при котором обеспечивается вынос шлама на поверхность определяется по формуле:

(18)

где V_кр – критическая скорость проскальзывания шлама относительно раствора, м/с;

V_М – механическая скорость бурения, м/с;

ρ_п – плотность разбуриваемой породы, г/см³;

ρ_р – плотность бурового раствора, г/см³;

ρ_см – плотность раствора со шламом, г/см³;

S_max– максимальная площадь кольцевого пространства, м².

(19)

где d_бт – минимальный диаметр бурильных труб запроектированной компоновки, м.

, (20)

где К_К – коэффициент каверзности.

Критическая скорость проскальзывания V_кр=0,1-0,15 м/с, большее значение берется для более крупного шлама, то есть в мягких породах.Разность ρ_см- ρ_р=0,02 г/см³.

Механическая скорость бурения определяется нормативно, исходя из прочности пород. Для условий Западной Сибири ориентировочно можно принять следующие значения механической скорости бурения: в интервале до 600 м - V_мех= 30-40 м/час; в интервале 600-1600 м - V_мех= 25-30 м/час; в интервале 1600-2400 м - V_мех= 15-20 м/час; при больших глубинах - V_мех= 10-15 м/час.

Максимальный расход раствора Q₃, при котором не происходит размыв стенок скважины, может быть определен по формуле:

(21)

где V_{кп max}– максимально допустимая скорость течения жидкости в кольцевом пространстве,м/с, для условий Западной Сибири в интервале до 1000 мV_{кп max}=1,3 м/с, а в нижележащих интервалах V_{кп max} = 1,5 м/с;

S_min– минимальная площадь кольцевого пространства, м².

Эта площадь рассчитывается в интервале нахождения забойного двигателя или основной ступени УБТ. Диаметр скважины принимается с учетом коэффициента каверзности.

Тогда:

(22)

Для интервала бурения под направление и кондуктор принимается V_{кп max}=1,3 м/с, для ЭК и хвостовика - V_{кп max} = 1,5 м/с.

Расчет минимального расхода бурового раствора Q₄ из условия предотвращения прихватов ведется по формуле:

(23)

где V_{кп min} – минимально допустимая скорость восходящего потока, м/с, в расчетах принимается - 0,5 м/с. Значение S_maxберется из расчетов Q₂.

Минимальный расход раствора Q₅ , исходя из условия создания необходимой скорости истечения из насадок долота, ведется по формуле:

(24)

где n – число насадок;

d_нmax – максимальный внутренний диаметр насадки, м.

Расход раствора Q₆, исходя из устойчивой работы гидравлического двигателя, определяется его технической характеристикой.

По результатам расчетов определяется область допустимого расхода бурового раствора, которая должна быть меньше Q₃, но больше большего из значений Q₁, Q₂ , Q_{4 ,}Q₅ и Q₆, или равно ему. Следует, что желательным условием является нахождение плотности жидкости в рекомендуемом интервале расхода забойного двигателя.

В Приложении 9 приводится пример оформления результатов проектирования расхода бурового раствора по интервалам бурения. После этого производится выбор и обоснование областей допустимого расхода бурового раствора и окончательный выбор значений расхода по интервалам бурения (пример представлен в Приложении 10).