04 сентября 2016г.
Известно, что затраты мощности на бурение скважин складываются из трёх составляющих [1]:
N = Nст + N рз+ Nвкн(1)
где Nст – потери мощности в станке; кВт; Nрз – мощность, расходуемая на разрушение забоя, кВт; Nвкн – затраты мощности на вращение бурильной колонны под осевой нагрузкой, кВт.
При бурении скважин на нефть и газ чаще всего затраты мощности привода в устье на работу бурильной колонны определяются по формуле [2]:
N = N1 + N2 + N3(2)
где N1 – мощность, затрачиваемая на холостое вращение бурильной колонны, кВт;
N2 – мощность, расходуемая на разрушение забоя, кВт;
N3 – дополнительные затраты мощности на вращение бурильной колонны при создании осевой нагрузки, кВт.
Полная мощность привода бурового станка в этом случае находится по формуле:
N пр.б .ст = N + Nтбс (3)
где Nтбс. - мощность, затрачиваемая в трансмиссии бурового станка, кВт.
Теория и практика показывают, что основные затраты мощности приходятся на холостое вращение бурильной колонны. Под холостым вращением бурильной колонны понимают её вращение в подвешенном состоянии в скважине без опоры на забой.
Мощность на холостое вращение бурильной колонны зависит в основном от частоты вращения, длины и диаметра бурильной колонны, качества промывочной жидкости, диаметра и кривизны скважины. В общем виде эта, установленная эмпирически, зависимость имеет следующую форму записи [4]:
Рисунок 1
– Затраты мощности на холостое вращение бурильной колонны в зависимости
от
её длины
и частоты вращения
в об/мин
1. 67-71;
2.
117-129; 3. 168-184; 4. 228-244; 5. 300
На рис.1 представлены опытные кривые зависимости мощности на холостое вращение в зависимости от
длины бурильной колонны при различных частотах вращения, полученные при плотности бурового раствора 1250 кг/м3
и бурильных трубах диаметром 140 мм. Затраты мощности на разрушение горной породы шарошечными долотами зависят от осевой нагрузки, частоты вращения, количества и качества промывочной жидкости, типа, размера и состояния долота, а также свойств разбуриваемых пород и могут быть определены по опытным данным либо по эмпирическим формулам [4].
В работе по формулам (5,9,14) проведен расчет мощности на холостое вращение бурильной колонны для условий бурения экспериментальной скважины фирмы «Элтех» г. Усинск Республики Коми и проведёно сравнение результатов расчёта с показаниями мощности на холостое вращение, снятыми измерительными приборами. Были сделаны четыре замера на глубине 933
м при скорости
вращения 100 об/мин для осевых нагрузок 20, 40, 60, 80
кН.
Результаты сравнения расчётных данных с фактическими затратами мощности на холостое вращение бурильной колонны, составленной из труб ТБПВ-89 и двух свечей УБТ-146, по замерам непосредственно в процессе бурения представлены на рис.2.
Из графика видно, что мощность, рассчитанная по методике РД 39- 0147014-502-85 близка к усредненной фактической мощности. Исключение составляет точка, характеризующая затраты мощности при осевой нагрузке 60 кН. В расчетах, сделанных по формуле (14), расчетная мощность для всех нагрузок меньше, чем фактическая и сравнивается с фактической при достижении осевой нагрузки 80 кН. Объясняется это тем, что расчёт по теоретической формуле (14), справедлив при приобретении бурильной колонной формы спирали, плотно прилегаемой к стенкам скважины. Критическое значение осевой нагрузки, приводящей к образованию пространственной спирали для данной компоновки бурильной колонны, определяемое по формуле (16) [9] равно
48,2 кН.
Резкое увеличение реальных затрат мощности при достижении критического значения осевой нагрузки, вызвано переходным режимом работы бурильной колонны с возникновением соударений (биений) отдельных участков колонны о стенки скважины. При достижении осевой нагрузки 80 кН бурильная колонна принимает форму пространственной спирали плотно прилегаемой к стенкам скважины. С этой нагрузки теоретические расчёты
по формуле (14), совпадают с реально измеренными.
Выводы.
1.
Эмпирические формулы по расчёту затрат мощности предложенные в инструкции РД 39-0147014-502-85 по расчёту бурильных колонн адекватно отражают
реальные затраты
мощности при установившемся режиме работы, до достижения осевой нагрузки критического значения..
2.
При бурении вблизи области критического значения осевой нагрузки возникает неустойчивый режим работы бурильной колонны, характеризующийся соударениями (биениями) её о стенки скважины. При этом резко возрастают затраты мощности на устье скважины и расчёты по формуле из инструкции РД 39-0147014-502-85 и (14) дают значения затрат мощности ниже реальных.
3.
Расчёты мощности на холостое вращение растянуто-сжатой бурильной колонны по формуле (14), занижают реальное значение мощности до достижения критического значения осевой нагрузки и имеют удовлетворительную сходимость при
её
значениях выше критического.
4.
Дополнительные затраты мощности на преодоление биений превышают в этом случае 20%, что указывает на необходимость выявления условий
их возникновения и учёт в процессе бурения.
Список литературы
1.
Кардыш В. Г., Мурзаков Б. В., Окмянский А. С. Энергоёмкость бурения геологоразведочных скважин. – М.: Недра, 1984. –
200
с.
2.
Кожевников А. А., Кузин Ю. Л., Мартыненко И. И., Лексиков А .А. Сравнительный анализ затрат мощности на холостое вращение бурильной колонны // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сборник научных трудов. – Вып.14. – Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, НАН Украины, 2011. – С.38 – 43.
3.
Сароян А. Е., Теория и практика работы бурильной колонны. – М.: Недра, 1990. – 263 с.
4.
Технология бурения глубоких скважин: учебное пособие для вузов. ... Под общей редакцией М. Р. Мавлютова. –
М.:
Недра, 1982 г. – 287
с.
5.
Липницкий Р. В., Трофимов В. М. «Методические указания к выполнению дипломного и курсового проектов» М.: РУДН, 1989
г.
6.
Инструкция
по расчету бурильных колонн
РД
39-0147014-502-85.
7.
Заикин С. Ф. Влияние биений бурильной колонны на отбор мощности в процессе углубления скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2015. – №7. – С. 4– 6.
8. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б., Ягубов З. Х. Биения бурильной колонны в процессе углубления скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2015. –№9. – С. 14– 16.
