Промывка скважины роторного бурения жидкостью и расчёт параметров режима работы бурового насоса

 

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО  ОРДЖОНИКИДЗЕ

 

 

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ   БУРЕНИЯ СКВАЖИН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ГИДРАВЛИКЕ

 

Промывка скважины роторного бурения жидкостью и расчёт параметров режима работы бурового насоса

 

 

                                                                             Выполнил: ст. группы

 

                                                                            

                                                                            Проверил: проф. Куликов В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА, 2012 г.

 

 

 

 

Задание

       Рассчитать параметры  режима работы бурового насоса  при прямой промывке нефтяной  скважины роторного бурения.

       Параметрами режима  работы насоса являются подача (расход) промывочной жидкости, развиваемое давление и развиваемая мощность.

 

1. В соответствии с № варианта задания и результатами последующих расчётов заполнить таблицу исходных данных.

Таблица исходных данных

 

№	Обозначение величины и её размерность; вид агента	Значение величины; реологическая модель агента	Наименование величины; назначение агента
1	hc, м		Глубина скважины
2	Hc, м		Длина ствола скважины
3	hок, м		Глубина спуска обсадной колонны (ОК)
4	Hок, м		Длина ОК
5	Dок, мм		Наружный диаметр ОК
6	dок, мм		Внутренний диаметр ОК
7	DД, мм		Диаметр долота
8	DУБТ, мм		Наружный диаметр утяжелённых бурильных труб (УБТ)
9	dУБТ, мм		Внутренний диаметр УБТ
10	HУБТ, м		Длина УБТ
11	hУБТ, м		Длина вертикальной проекции УБТ
12	DБТ, мм		Наружный диаметр бурильных труб (БТ)
13	dБТ, мм		Внутренний диаметр БТ
14	HБТ, м		Длина одной БТ
15	DСЭ, мм		Наружный диаметр соединительного  элемента (СЭ)
16	dСЭ, мм		Внутренний диаметр СЭ
17	HП, м		Длина подводящей линии (от бурового насоса до колонны БТ)
18	dП, мм		Внутренний диаметр подводящей линии
19	КЭ, мм		Эквивалентная шероховатость поверхности  магистрали
20	Dс, мм		Диаметр скважины
21	Vмех, м/ч		Механическая скорость бурения
22	ρш, кг/м3		Плотность частиц шлама
23	Ψ		Допускаемая максимальная объёмная концентрация шлама в восходящем потоке промывочной жидкости (ПЖ)
24	ТВ или ГР	НЖ или БЖ	Очистной агент (ОА)
25	ρ, кг/м3		Плотность ПЖ
26	τ0, Па		Начальное напряжение сдвига ПЖ
27			Абсолютная вязкость ПЖ
28	t0, ºС		Средняя температура ПЖ
29	VC, м/с		Скорость струи ПЖ при выходе из долота (гидромониторных насадков долота)
30	η		Полный КПД насоса
31	ηп		КПД передачи от двигателя до насоса
32	g, Н/кг		Ускорение силы тяжести

 

Примечания

1. При соединении бурильных труб (БТ) «труба в трубу» D_СЭ – наружный диаметр колонны в месте соединения, d_СЭ  – внутренний диаметр колонны БТ в месте соединения.

2. Рекомендуемые значения величин:  H_П = 20 м; d_П = 100 мм; К_Э = 0,1 мм; V_мех = 20 – 50 м/ч; ρ_ш = 2600 кг/м³; t₀ = 10 ºС; η = 0,7; η_п = 0,9; g = 9,81 Н/кг; Ψ = 0,05. Диаметр скважины D_с можно условно принять равным диаметру долота D_Д.

3. При τ₀ = 0 реологическая модель – НЖ (ньютоновская жидкость), если  r = 1000 кг/м³ – техническая вода (ТВ).

При τ₀ > 0  реологическая модель – БЖ (бингамовская жидкость), если r > 1000 кг/м³ – глинистый раствор (ГР).

4. Расчёты выполнять в СИ, ответы (где это необходимо) переводить  в единицы, принятые в бурении  – МПа и др.

5. Ответы округлять, указывая после запятой не более двух знаков, например: 161 × 10^-3 м; 3,48 × 10^-3 м²; 43,86 × 10⁵ Па; 0,88 МПа; 8,33 × 10^-4 м³/с; 140 × 10³ Вт и т.п.

 

 

Варианты заданий

 

№ вариант задания	№ пункта таблицы исходных данных
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	12	13	14	15	16	24	25	29
1	1550	2000	890	900	146,1	129,1	120,6	108	46	50	89	75	6	110	64,3	БЖ	1300	70
2	1440	1500	1040	1050	193,7	174,7	161	146	74	80	102	81,6	9	133,4	67,5	НЖ	1000	90
3	1720	1800	470	500	168,3	150,5	132	108	46	65	89	75	9	120	64,3	БЖ	1200	10
4	3000	3000	1250	1250	168,3	150,5	139,7	108	46	60	102	81,6	6	128	67,5	НЖ	1000	70
5	3110	3200	1440	1450	219,1	205,7	190,5	178	90	80	127	107	12	165,1	75,4	БЖ	1100	20
6	2050	2100	1260	1300	168,3	147,1	132	108	46	45	89	75	9	120	64,3	БЖ	1200	90
7	1840	1900	660	700	244,5	228,7	215,9	203	100	90	127	113	6	161,9	88,1	НЖ	1000	100
8	3200	3300	780	800	219,1	203,7	190,5	178	90	100	127	107	9	165,1	75,4	БЖ	1200	15
9	3410	3500	96	100	193,7	174,7	151	146	74	75	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1300	10
10	2620	2700	1090	1100	146,1	127,1	120,6	108	46	30	89	75	9	110	64,3	БЖ	1100	60
11	1570	1600	1130	1150	219,1	201,3	190,5	178	90	70	127	107	9	165,1	75,4	БЖ	1300	20
12	2450	2500	630	650	168,3	144,1	132	108	46	60	89	75	6	120	64,3	НЖ	1000	80
13	3580	3600	590	600	193,7	171,9	161	146	74	70	102	81,6	12	133,4	67,5	БЖ	1200	80
14	4040	4100	730	750	219,1	198,7	190,5	178	90	40	127	107	6	165,1	75,4	БЖ	1300	5
15	1610	1700	340	350	193,7	171,9	151	146	74	90	102	81,6	12	133,4	67,5	БЖ	1100	10
16	2500	2600	930	950	193,7	168,3	161	146	74	35	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	5
17	3610	3700	970	1000	146,1	124,7	120,6	108	46	70	89	75	12	110	64,3	БЖ	1200	10
18	4100	4200	1470	1500	168,3	144,1	132	108	46	90	89	75	12	120	64,3	БЖ	1100	100
19	1900	1900	550	550	193,7	168,3	151	146	74	70	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1300	15
20	2750	2800	190	200	168,3	144,1	139,7	108	46	40	102	81,6	12	128	67,5	НЖ	1000	10
21	3760	3800	430	450	193,7	163,5	161	146	74	60	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1200	100
22	4300	4300	1600	1600	219,1	205,7	190,5	178	90	95	127	107	12	165,1	75,4	БЖ	1100	20
23	2150	2200	1340	1350	146,1	129,1	120,6	108	46	80	89	75	6	110	64,3	БЖ	1300	60
24	2840	2900	680	700	219,1	203,7	190,5	178	90	50	127	107	9	165,1	75,4	НЖ	1000	90
25	3910	4000	1670	1700	168,3	147,1	132	108	46	40	89	75	12	120	64,3	БЖ	1200	5
26	2300	2300	300	300	193,7	163,5	151	146	74	30	102	81,6	9	133,4	67,5	НЖ	1000	80
27	3070	3100	1180	1200	146,1	127,1	120,6	108	46	85	89	75	6	110	64,3	БЖ	1300	15
28	3800	3900	720	800	168,3	147,1	139,7	108	46	50	102	81,6	12	128	67,5	БЖ	1200	10
29	2350	2400	1370	1400	193,7	168,3	161	146	74	30	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	70
30	3400	3400	400	400	146,1	127,4	120,6	108	46	55	89	75	12	110	64,3	БЖ	1300	5
31	1570	1600	1130	1150	219,1	201,3	190,5	178	90	70	127	107	9	165,1	75,4	НЖ	1000	20
32	2450	2500	630	650	168,3	144,1	132	108	46	60	89	75	6	120	64,3	БЖ	1500	80
33	3580	3600	590	600	193,7	171,9	161	146	74	70	102	81,6	12	133,4	67,5	НЖ	1000	80
34	4040	4100	730	750	219,1	198,7	190,5	178	90	40	127	107	6	165,1	75,4	НЖ	1000	5
35	1610	1700	340	350	193,7	171,9	151	146	74	90	102	81,6	12	133,4	67,5	НЖ	1000	10
36	2500	2600	930	950	193,7	168,3	161	146	74	35	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1600	5
37	3610	3700	970	1000	146,1	124,7	120,6	108	46	70	89	75	12	110	64,3	НЖ	1000	10
38	4100	4200	1470	1500	168,3	144,1	132	108	46	90	89	75	12	120	64,3	НЖ	1000	100
39	1900	1900	550	550	193,7	168,3	151	146	74	70	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	15
40	2750	2800	190	200	168,3	144,1	139,7	108	46	40	102	81,6	12	128	67,5	БЖ	1800	10
41	3760	3800	430	450	193,7	163,5	161	146	74	60	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	100
42	4300	4300	1600	1600	219,1	205,7	190,5	178	90	95	127	107	12	165,1	75,4	НЖ	1000	20
43	2150	2200	1340	1350	146,1	129,1	120,6	108	46	80	89	75	6	110	64,3	НЖ	1000	60
44	2840	2900	680	700	219,1	203,7	190,5	178	90	50	127	107	9	165,1	75,4	БЖ	2100	90
45	3910	4000	1670	1700	168,3	147,1	132	108	46	40	89	75	12	120	64,3	НЖ	1000	5
46	2300	2300	300	300	193,7	163,5	151	146	74	30	102	81,6	9	133,4	67,5	БЖ	1900	80
47	3070	3100	1180	1200	146,1	127,1	120,6	108	46	85	89	75	6	110	64,3	НЖ	1000	15
48	3800	3900	720	800	168,3	147,1	139,7	108	46	50	102	81,6	12	128	67,5	НЖ	1000	10
49	2350	2400	1370	1400	193,7	168,3	161	146	74	30	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1100	70
50	3400	3400	400	400	146,1	127,4	120,6	108	46	55	89	75	12	110	64,3	НЖ	1000	5
51	3760	3800	430	450	193,7	163,5	161	146	74	60	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1200	100
52	4300	4300	1600	1600	219,1	205,7	190,5	178	90	95	127	107	12	165,1	75,4	БЖ	1100	20
53	2150	2200	1340	1350	146,1	129,1	120,6	108	46	80	89	75	6	110	64,3	БЖ	1300	60
54	2840	2900	680	700	219,1	203,7	190,5	178	90	50	127	107	9	165,1	75,4	НЖ	1000	90
55	3910	4000	1670	1700	168,3	147,1	132	108	46	40	89	75	12	120	64,3	БЖ	1200	5
56	2300	2300	300	300	193,7	163,5	151	146	74	30	102	81,6	9	133,4	67,5	НЖ	1000	80
57	3070	3100	1180	1200	146,1	127,1	120,6	108	46	85	89	75	6	110	64,3	БЖ	1300	15
58	3800	3900	720	800	168,3	147,1	139,7	108	46	50	102	81,6	12	128	67,5	БЖ	1200	10
59	2350	2400	1370	1400	193,7	168,3	161	146	74	30	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	70
60	3400	3400	400	400	146,1	127,4	120,6	108	46	55	89	75	12	110	64,3	БЖ	1300	5
61	1570	1600	1130	1150	219,1	201,3	190,5	178	90	70	127	107	9	165,1	75,4	НЖ	1000	20
62	2450	2500	630	650	168,3	144,1	132	108	46	60	89	75	6	120	64,3	БЖ	1500	80
63	3580	3600	590	600	193,7	171,9	161	146	74	70	102	81,6	12	133,4	67,5	НЖ	1000	80
64	4040	4100	730	750	219,1	198,7	190,5	178	90	40	127	107	6	165,1	75,4	НЖ	1000	5
65	1610	1700	340	350	193,7	171,9	151	146	74	90	102	81,6	12	133,4	67,5	НЖ	1000	10
66	2500	2600	930	950	193,7	168,3	161	146	74	35	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1600	5
67	3610	3700	970	1000	146,1	124,7	120,6	108	46	70	89	75	12	110	64,3	НЖ	1000	10
68	4100	4200	1470	1500	168,3	144,1	132	108	46	90	89	75	12	120	64,3	НЖ	1000	100
69	1900	1900	550	550	193,7	168,3	151	146	74	70	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	15
70	2750	2800	190	200	168,3	144,1	139,7	108	46	40	102	81,6	12	128	67,5	БЖ	1800	10
71	3760	3800	430	450	193,7	163,5	161	146	74	60	102	81,6	6	133,4	67,5	НЖ	1000	100
72	4300	4300	1600	1600	219,1	205,7	190,5	178	90	95	127	107	12	165,1	75,4	НЖ	1000	20
73	2150	2200	1340	1350	146,1	129,1	120,6	108	46	80	89	75	6	110	64,3	НЖ	1000	60
74	2840	2900	680	700	219,1	203,7	190,5	178	90	50	127	107	9	165,1	75,4	БЖ	2100	90
75	3910	4000	1670	1700	168,3	147,1	132	108	46	40	89	75	12	120	64,3	НЖ	1000	5
76	2300	2300	300	300	193,7	163,5	151	146	74	30	102	81,6	9	133,4	67,5	БЖ	1900	80
77	3070	3100	1180	1200	146,1	127,1	120,6	108	46	85	89	75	6	110	64,3	НЖ	1000	15
78	3800	3900	720	800	168,3	147,1	139,7	108	46	50	102	81,6	12	128	67,5	НЖ	1000	10
79	2350	2400	1370	1400	193,7	168,3	161	146	74	30	102	81,6	6	133,4	67,5	БЖ	1100	70
80	3400	3400	400	400	146,1	127,4	120,6	108	46	55	89	75	12	110	64,3	НЖ	1000	5

 

 

2.  Конструкция скважины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема циркуляции промывочной жидкости в скважине при прямой промывке

 

 

 

 

 

 

1 – направление; 2 – кондуктор; 3 – обсадная колонна; 4 – бурильные  трубы;

5 – соединительные элементы; 6 –  УБТ (утяжеленные бурильные трубы);

7 – буровое долото; 8 – нисходящий  поток; 9 – восходящий поток, обогащенный  шламом;

H_ок – длина обсадной колонны; H_с – длина ствола скважины; D_с – диаметр скважины.

 

 

 

 

 

 

 

Условные схемы  соединительных элементов

 

 

 

 

а) – ниппельное соединение бурильных  труб;

б) – муфтовое соединение бурильных  труб;

d_сэ, D_сэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;

d_бт, D_бт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;

D_с – диаметр скважины;

1 – круглый (в поперечном  сечении) поток жидкости;

2 – кольцевой (в поперечном  сечении) поток жидкости;

3 – области (зоны) вихрей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная схема циркуляции жидкости

 

 

 

 

I – буровой насос;

II – манометр;

III – предохранительный клапан;

IV – емкость (зумпф);

V – фильтр с обратным клапаном (храпок);

VI – система очистки промывочной жидкости.

Магистраль разделена на 7 (i = 1,2,…7) участков движения жидкости.

i – номер участка движения. Участки i = 5-7 в поперечном сечении круглые, а участки i = 1-3 – кольцевые.

i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами;

i = 2 – между стенками скважины и бурильной колонной;

i = 3 – между стенками скважины и УБТ;

i = 4 – на забое скважины и в буровом долоте;

i = 5 – внутри УБТ;

i = 6 – внутри бурильной колонны;

i = 7 – в устьевой обвязке (в подводящей линии от бурового насоса до колонны бурильных труб).

P_иi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.

P_н – давление, развиваемое насосом.

P₀ – атмосферное давление.

 

 

4. Длина вертикальной проекции УБТ

 

h_УБТ = H_УБТ ∙ (h_С – h_ОК) / (Н_С – Н_ОК), м

 

5. Геометрические характеристики участков движения промывочной жидкости

 

1. Геометрические характеристики поперечных сечений участков

V.1. Диаметр скважины

 

D_C = D_Д,  м

 

 V.2. Площадь проекции забоя скважины на плоскость, перпендикулярную её оси

 

 

 V.3. Площадь и эквивалентный диаметр поперечного сечения потока промывочной жидкости

 

Для круглого сечения  геометрическим диаметром d:

                 В гладкой части магистрали, i = 5, 6, 7

                                                               

                 Внутри соединительного элемента колонны БТ, i = 6

 

                

 

 

  Для кольцевого сечения, имеющего геометрические диаметры D и d:

                   В гладкой части магистрали, i = 1– 3

 

                                        

 

                   Снаружи соединительного элемента колонны БТ, i = 1, 2

 

2. _{Линейные геометрические характеристики участков}

Длины участков движения:

                                                       = … м

        H₂ = H_C – H_ОК – H_УБТ = … м

                                                       H₃ = H₅ = H_УБТ = …м

H₆ = H_С – H_УБТ = … м

                                                        = … м

Вертикальные проекции участков движения:

                                                        = … м

        h₂ = h_C – h_ОК – h_УБТ = … м

h₃ = h₅ = h_УБТ = … м

h₆ = h_С – h_УБТ = … м

 

6. Начальное напряжение сдвига ПЖ

Если ПЖ – техническая вода (ТВ), то τ₀ = 0, r = 1000 кг/м³. 
Если ПЖ – глинистый раствор (ГР), то в соответствии с производственными данными можно принять:

             при r < 1200 кг/м³

                                                   τ₀ = 1,4 Па,

                               

 

             при r = 1200  – 1800 кг/м³

 

             при r = 1800  – 2300 кг/м³

 

 

7. Абсолютная вязкость промывочной жидкости

        _{Если ПЖ – ТВ, то}

, Па ∙ с –

– эмпирическая формула Ж. Л. М. Пуазёйля.

 

         _{Если ПЖ – ГР, то в соответствии с производственными данными можно принять:}

             при r < 1200 кг/м³

μ₀ = 0,00221 Па ∙ с,

             при r = 1200  – 1800 кг/м³

μ₀ = (ρ – 1150) ∙ 44,2 ∙ 10^-6, Па ∙ с,

 

             при r = 1800  – 2300 кг/м³

μ₀ = (ρ – 1450) ∙ 69,7 ∙ 10^-6, Па ∙ с.

 

 

 

8. Средняя скорость движения потока промывочной жидкости на участке i=1

В соответствии с производственными  данными можно принять:

V₁ = 0,3 – 0,5 м/с – при промывке скважины ГР;

V₁ = 0,5 – 0,7 м/с – при промывке скважины ТВ.

Принимаем V₁ = … м/с.

 

9. Объёмный расход промывочной жидкости

 Для охлаждения  долота и очистки забоя скважины от шлама

Q₁ = а · π · D_с²/4 = … м³/с = … л/с,

а = 0,35 – 0,5 м/с при роторном и электробурении;

a = 0,5 – 0,7 м/с при бурении гидравлическими забойными электродвигателями.

 

Для выноса шлама на поверхность

Q₁ = V₁ × f₁ = … м³/с = … л/с.

 

Для охлаждения БК, очистки забоя и выноса шлама на поверхность

 

                                       

 

Q ≥ Q₃,

где Q – выбранное значение объёмного расхода.

Принимаем Q = … л/с = …м³/с.

 

10. Массовый расход жидкости

                                                   

11. Массовый расход шлама на всех участках

 

 для участков i = 1–3:   

 

 для участков i = 4–7:    .

 

 

12. Средняя скорость жидкости на всех участках i = 1–3, 5–7

                                                 

 

13. Плотность смеси на всех участках