Проект гидрогеологических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор и обоснование рационального способа бурения

Наиболее распространённым методом разведки и эксплуатации подземных вод является бурение скважин и колодцев. Выбор способа бурения определяют следующие факторы: цель работ, степень гидрогеологической изученности района, технико-экономические показатели рассматриваемого способа бурения, стоимость 1 м ³ добываемой воды, срок существования скважины.

Самым распространенным и эффективным способом бурения в регионе Ленинградской области является вращательный способ бурения с прямой промывкой, производительность которого в 3-5 раз выше производительности ударно-канатного. Его рекомендуется применять в районах с изученными гидрогеологическими условиями для вскрытия артезианских (напорных) вод. Но вращательное бурение с прямой промывкой имеет весьма существенный недостаток - может вызвать закупорку пор и трещин водоносного горизонта, что требует дополнительных затрат времени и средств на возбуждение притока воды к скважине, однако применение специальных растворов и новой технологии вскрытия водоносных горизонтов делает данный способ бурения скважин на воду наиболее эффективным.

При вскрытии продуктивного пласта следует минимизировать проникновение в околоскважинную зону инородных примесей, фильтрата раствора и вероятность образования на стенках скважины слабопроницаемой корки. На интенсивность кольматации влияют тип промывочной жидкости и перепад давления на пласт.

Минимальное изменение фильтрационных характеристик пласта в околоскважинной зоне наблюдается при использовании в качестве промывочной жидкости жидкость, аналогичную по свойствам пластовой, и уменьшении репрессии на пласт, а следовательно и глубины проникновения шлама и раствора.

В данном случае, опираясь на геолого-технические условия и рекомендации по применению различных способов бурения и вскрытия водоносных пластов, выбираем вращательный способ бурения с прямой промывкой.

2. Выбор и обоснование конструкции скважины

При разработке проектной конструкции и технологии бурения скважины учитываются следующие требования:

- необходимость исследования водоносных горизонтов четвертичных отложений;

- исключение возможности ухудшения качества воды в процессе эксплуатации;

- качество воды в скважине должно соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

- глубина установки эксплуатационной колонны труб должна обеспечить возможность увеличения глубины погружения насоса в результате регионального снижения уровня подземных вод в процессе эксплуатации;

Выбор и обоснование конструкции скважины начинается с установления конечного диаметра скважины. Гдовский водоносный горизонт, который залегает на глубине 111 м, вскрывают на полную мощность, но с учетом, что рабочая часть фильтра должна отстоять от кровли и подошвы водоносного горизонта на 6 м[3]. В нашем случае мощность водоносного горизонта 29 м., отсюда длина рабочей части фильтра будет l_р=12 м. Длина отстойника 5 м, конечная глубина скважины 140 м.

1. Наружный диаметр фильтра определяем по формуле [1]:



г

де - наружный диаметр фильтра, мм; Q - дебит скважины, мі/ч;

- длина рабочей части фильтра, м; - коэффициент фильтрации, м/сут.

По полученному значению выбираем ближайшее фактическое значение наружного диаметра фильтра и тип самого фильтра.

В водоносных горизонтах, представленных песками, применяют фильтры, у которых трубчатые каркасы (щелевые, дырчатые), обтянуты сеткой. Основное достоинство данного вида фильтров - это обеспечение пропуска воды в скважину, оборудованную трубами малого диаметра, не прибегая к устройству гравийных обсыпок. В соответствие с условиями разреза сетчатый фильтр является наиболее эффективным и экономически выгодным, так как затраты на его изготовление и устройство минимальны.

Параметры выбранного фильтра:

Наружный диаметр фильтра по трубе - 108 мм

Внутренний диаметр фильтра - 100 мм

Диаметр отверстий -12 мм

Скважность -30%

Тип фильтра - сетчатый

Марка фильтра - С - 8Ф5В

Соединение фильтровой колонны - ниппельное по ГОСТ 632-80



Рис. 1. Фильтр с металлической сеткой

1 - общий вид; 2 и 3 детали: а - каркас из обсадной трубы с проходными отверстиями, б - подкладочная сетка с крупными ячейками, в-подкладочная спираль из медной или латунной проволоки, г - медная сетка галунного плетения, д - накладки из листовой меди или латуни.

Размер проходных отверстий фильтра находится из соотношения , где размер частиц, соответствующий 50% содержанию их в воде, мм, тогда диаметр отверстий равен 15 мм.

Диаметр долота под фильтровую колонну:

D_д._ф. = D_ф._max;

где: D_ф._max - максимальный диаметр фильтровой трубы, мм.

D_д._ф. = 108 мм

Выбираем шарошечное долото III112Т - ЦВ, диаметром 112 мм.

Внутренний диаметр труб эксплуатационной колонны:

D_эк._вн. = D_ф. + 2*&₁;

где: &₁ - зазор между эксплуатационной колонной и надфильтровыми трубами, определяемый типом сальника (5ч 50 мм);

D_эк._вн. = 108 + 2*10 = 128 мм

Внутренний диаметр труб эксплуатационной колонны выбираем из справочного издания. Таким образом:

Наружный диаметр эксплуатационной колонны - 146 мм.

Внутренний диаметр эксплуатационной колонны -136 мм.

Толщина стенки -5,0 мм.

Масса 1 м - 18,4 кг

Соединение обсадной колонны - ниппельное по ГОСТ 632-80.

Диаметр долота под эксплуатационную колонну:

D_д.эк = D_э.к.+ 2*&₂

где: &₂ =15ч50 - зазор между наружным диаметром эксплуатационной колонны и стенками скважины (с учетом цементации затрубного пространства);

D_д.эк =146+ 2*20=186 мм

Выбираем шарошечное долото III190Т - ЦВ, диаметром 190 мм.

Неустойчивые водонасыщенные озерно-ледниковые отложения днепровко-московского возраста до глубины 48 м перекрываются кондуктором.

Внутренний диаметр колонны:

D_об.к.вн.= D_д.эк. + 2*&₃;

где: &₃ - зазор между долотом, используемым для бурения интервала скважины под эксплуатационную колонну, и внутренней поверхностью обсадной колонны, мм;

D_об.к.вн. =190 + 2*5 = 200 мм

Исходя из полученных данных принимаем:

Наружный диаметр колонны - 219 мм

Внутренний диаметр колонны-207 мм

Толщина стенки -6 мм

Масса 1 м -35,1 кг

Соединение обсадной колонны - ниппельное по ГОСТ 632-80

Выбираем шарошечное долото:

D_д.об.т. = D_об.т.вн + 2*&₂

где: &₂ =10ч50 - зазор между наружным диаметром эксплуатационной колонны и стенками скважины (с учетом цементации затрубного пространства);

D_д.об.т. = 219+ 2*12=241 мм

Принимаем шарошечное долото III243С - ГВ, диаметром 243 мм.

Внутренний диаметр направляющей трубы:

D_н._вн. =D_д.об.т + 2*&₃;

где: &₃ - зазор между долотом, используемым для бурения интервала скважины под обсадную колонну, и внутренней поверхностью направляющей трубы, мм;

D_н._вн. = 243 + 2*5 =253 мм

Исходя из полученных данных принимаем:

Наружный диаметр направляющей трубы -299 мм

Внутренний диаметр направляющей трубы -261 мм

Толщина стенки -6 мм

Масса 1 м - 57,9 кг

Соединение направляющей трубы - муфтовое по ГОСТ 632-80

Для исключения загрязнения почвенного покрова очистным агентом предусматриваем проходку интервала шнеком, но при этом с учетом того, что будет произведена цементация затрубного пространства.

Выбираем шнековое долото ДБШ по ГОСТ24328-80 соответственного типоразмера:

наружный-320 мм

корпуса-300 мм

Диаметр -260 мм

Труба - 127 мм

Диаметр спирали:

Ширина - 66,5 мм

Шаг-182 мм

Отклонение шага спирали к шнека - 0,70

Угол подъема спирали -12⁰33'

Длина шнека - 2180 мм

Масса - 67 кг

Способ установки фильтровой колонны «впотай». Данная конструкция является наиболее эффективной в нашем случае, простой, при этом замена отработанного фильтра на новый занимает минимум трудозатрат [1].

Чтобы песок и другие твердые фракции не попадали в скважину, кольцевой зазор между надфильтровыми трубами, устанавливаемыми «впотай», и обсадными трубами уплотняют специальным сальником; конструкция которого определяется материалом, из которого он изготовлен (дерево, пенька, резина.). Надфильтровую трубу при установке её «впотай» следует вводить в эксплуатационную колонну выше башмака последней на 5 м.

Конструкция скважины

3. Выбор бурового инструмента и оборудования

Для обеспечения оптимальности конструкции скважины, характеризующуюся минимально возможным конечным диаметром бурения, используется шнек и шарошечные долота дробящее-скалывающего типа (ПРИ), характеристика которого приведена в табл. 1.

Таблица 1

Интервал, м	шифр ПРИ	Тип	диаметр, мм
0 - 14	ДБШ-320	М	320
14-52	III243С - ГВ	C	243
52-85	III190T - ГВ	Т	190
85-140	III112Т - ЦВ	Т	112

бурение насос водоносный нагнетание

Тип и размер бурильных труб

Бурильные трубы служат для: соединения колонкового снаряда с вращателем бурового станка, подачи бурового снаряда по мере углубления скважины и замены породоразрушающего инструмента, передачи на породоразрушающий инструмент осевой нагрузки и крутящего момента, подачи на забой промывочной жидкости.

При бурении скважины применяются стальные бурильные трубы с высаженными внутрь концами. Группы прочности стали Д и К. БТ соединяются в колонны с помощью замков[6]. Замки состоят из ниппеля и муфты, соединённых между собой конической замковой резьбой. Замки изготовляются из стали 40 ХН.

Основные данные используемых БТ находятся в табл. 2.

Таблица 2.

Типоразмер бурильной колонны	Наружный диаметр БТ, мм	Толщина стенки, мм	Резьба для соединения деталей замка между собой	длина БТ, м	Масса 1 м БТ, с соединениями кг
ТБСУ - 63,5	63,5	4,5	З-53	4,70	8,24
УБТ-89	89	22	З-67	4,70	31,5

Также используется следующий инструмент:

· Сальник - вертлюг СА-В;

· Гладкозахватные ключи;

· Переходники ПОА-54/57;

· Хомут 57-168 мм (по ТУ 41-01-476-82Е);

· Хомут 219-473 мм (по ТУ 41-01-476-82Е);

· Отсоединительные переходника;

В том числе аварийный инструмент:

· Метчики;

· Правый проходной колокол;

· Пики;

· Труборез-труболовки ТТ;

· Пауки ловильные.

4. Выбор бурового оборудования

Для производства буровых работ принимаем самоходную буровую установку УРБ-2А2.

Установка УРБ-2А2 с подвижным вращателем предназначена для бурения геофизических, структурно-поисковых и скважин при разведке месторождений твердых полезных ископаемых, строительных материалов и подземных вод вращательным способом с очисткой забоя скважины промывкой, продувкой или транспортированием разрушенной породы на поверхность шнеками. Отличительной особенностью в конструкции буровой установки УРБ-2А2 является наличие подвижного гидрофицированного вращателя и гидроподъемника, совместная работа которых обеспечивает проведение спуско-подъемных операций и подачу инструмента при бурении. Управление установкой полностью гидрофицировано и вынесено на пульт бурильщика, в транспортном положении она выглядит следующим образом (рис. 2).



Рис. 2. Буровая установка УРБ-2А2:

1 - автомобиль ЗиЛ-131; 2 - мачта; 3 - коробка отбора мощности; 4 - гидроцилиндр подъема мачты; 5 - буровой насос; 6 - раздаточная коробка; 7 - пульт управления; 8 - подвижный вращатель; 9 - опорные домкраты; 10 - рама

Таблица 3. Техническая характеристика установки УРБ2-А2

Условная глубина бурения, м:
- структурно-поисковых скважин с промывкой	300
- геофизических скважин:
с промывкой	100
с продувкой	30
Шнеками	30
Начальный диаметр бурения с промывкой, мм:	190
Конечный диаметр бурения с промывкой, мм:
- структурно-поисковых скважин	93
- геофизических скважин	118
Диаметр бурения с продувкой, мм:	118
Диаметр бурения шнеками, мм	135
Частота вращения бурового снаряда, с-1	2,33; 3,75; 5,42
Наибольший крутящий момент, Нм	2010
Ход вращателя, мм	5200
Скорость подъема бурового снаряда, м/с	0 - 1,25
Длина свечи, м	4,5
Мощность передаваемая раздаточной коробкой автомобиля, кВт	44
Габаритные размеры в транспортном положении, мм	7850х2500х3300 (8080х2500х3500)
Габаритные размеры в рабочем положении, мм	7850х2500х8200 (8080х2500х8380)
Масса установки, кг	Не более 10 100 (13 800)
Буровой насос НБ-50
Наибольшая объемная подача бурового насоса, мі/с	0,011
Наибольшее давление на выходе из бурового насоса, МПа	6,3
Компрессор К-5А (4ВУ1-5/9)
Производительность компрессора, мі/мин	5
Наибольшее избыточное давление на выходе компрессора, МПа	0,8

5. Выбор насосной установки

Для эксплуатации скважин на воду применяются в основном центробежные насосы с погружным электродвигателем.

Установка состоит и центробежного насоса, погружного электродвигателя, токопроводящего кабеля, водоподъёмного трубопровода, оголовка устья скважины и системы автоматического управления. Насосы одно или многоступенчатые с вертикальным расположением вала. Насосы оснащены обратными клапанами тарельчатого или шарового типа и специальным патрубком для подсоединительного агрегата к водоподъёмными трубами. Исходя из условий в которых мы бурим водозаборную скважину выбираем насос ЭЦВ 6-10-80.

Характеристики насоса приведены ниже:

Таблица 4

Тип:	ЭЦВ 6-10-80
Подача, мі/ч.	10
Напор, м.	80
Электродвигатель.	Мощность, кВт.	4,5
	Напряжение, В.	380
Частота вращения мин-1	2860
Поперечный размер, мм	142

6. Выбор очистного агента

Промывочный агент, применяемый при бурении, должен удовлетворять следующим основным требованиям:

· Очищать зону забоя скважины от разбуренной породы;

· Эффективное вскрытие водоносного горизонта;

· Обеспечение заданного дебита скважины;

· Закреплять или удерживать стенки скважины от разбуренной породы;

· Препятствовать прорывам пластовых вод;

· Обладать смазочными свойствами;

· Поддерживать частицы выбуренной породы во взвешенном состоянии во время перерывов в работе, когда жидкость находится в скважине в покое;

· Охлаждать породоразрушающий инструмент в процессе бурения

· Облегчать процесс разрушения горных пород

· Удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям.

Учитывая тот факт, что породы, слагающие разрез являются неустойчивыми и вероятность осложнений в процессе проходки скважины очень велика. Бурение скважины будет осуществляться с промывкой глинистым раствором, что представляется наиболее эффективным, так как в процессе разбуривания технологические свойства глинистой суспензии можно регулировать. При проходке проницаемых пород вследствие высокой фильтрации на стенках образуется достаточно прочная фильтрационная корка, препятствующая обрушению стенок. В качестве понизителя водоотдачи (стабилизатора) используется Карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ), получающаяся взаимодействием щелочной целлюлозы с монохлорацетатом натрия, представляющая собой порошкообразный препарат белого цвета с влажностью до 10%.

Выбор типа промывочной жидкости определяется геолого-техническими условиями бурения, составом и свойствами проходимых пород, способом бурения, опытом буровых работ.

В качестве очистного агента на интервале от 14 до 111 м применяем малоглинистый раствор с 5-ти процентным содержанием бентонита и 1 процента КМЦ. Плотность структурная вязкость динамическое напряжение сдвига . Вскрытие водоносного горизонта будет производиться технической водой.

7. Вскрытие водоносного горизонта

При вскрытии водоносного пласта фильтрационные параметры пласта в околоскважинной зоне лучше всего сохраняются при использовании в качестве промывочной жидкости технической воды.

Устойчивость стенок скважины сохраняется, если в процессе всего цикла работ при вскрытии пласта и оборудовании скважины поддерживается репрессия на пласт не ниже 0,03-0,05 МПа. Из этого условия вытекает основное ограничение применения технологии вскрытия пластов с промывкой технической водой - невозможность оборудования скважин при высоких пластовых давлениях, особенно при самоизливе.

В процессе промывки на пласт действуют статическая и гидродинамическая составляющие репрессии. Статическая составляющая равна произведению превышения уровня циркулирующего потока над статическим уровнем на плотность воды и ускорение свободного падения, а гидродинамическая составляющая - сумме потерь напора при движении восходящего потока в кольцевом пространстве скважины над вскрываемым интервалом и в сливной магистрали оголовка на устье. Поэтому в процессе бурения устойчивость стенки обеспечивается за счет повышенной репрессии на пласт.

Наибольшая опасность обрушения стенок при вскрытии пласта наблюдается при перерывах циркуляции, а особенно - в случае подъема или расхаживания инструмента, калибровки ствола.

Последовательность технологических операций по вскрытию пласта с промывкой водой следующая. После крепления скважины и ОЗЦ спускают инструмент и разбуривают цементную пробку и промывают чистой водой. За время разбуривания цемента естественный раствор, находящийся в инструменте, замещается на чистую воду и при вскрытии со стенками скважины в интервале водоносного пласта контактирует только вода и шлам. Перед вскрытием следует убедиться в создании достаточного запаса воды на буровой.

Циркуляционную систему для промывки монтируют в следующем порядке. Промывку скважины осуществляют буровым насосом, забирающим воду из водовозки, через промежуточную емкость. Жидкость доливают в кольцевое пространство через сливную магистраль водовозки или промежуточной емкости самотеком и регулируют вентилями.

После вскрытия продуктивного интервала бурят скважину под отстойник на 3-5 м ниже нижней границы установки фильтра. После сооружения скважины до расчетной отметки инструмент извлекают. Подъем сопровождается обязательным доливом воды в кольцевое пространство.

Процесс вскрытия пластов с промывкой чистой водой осложняется при наличии в разрезе глинистых пород, которые необходимо разбуривать. В кровле и подошве водоносного пласта, сложенного песками различных фракций, залегают глинистые породы, при бурении которых нарабатывается естественный раствор. Фильтрат раствора совместно с глинистым шламом проникает в околоскважинную зону пласта, снижая его проницаемость. Кольматация естественным наработанным раствором может привести к катастрофическому засорению пласта и снижению, а иногда и полному прекращению дебита. Вследствие низких структурных свойств раствора фильтрат и шлам проникает в пласт на большую глубину. Частицы глинистого шлама имеют первоначально заниженный размер по причине малого времени контакта с водой с момента разбуривания до попадания в поры пласта. С течением времени попавшие в поры пласта глинистые частицы набухают и экранируют скважину от водоносного пласта.

8. Установка фильтра

Основное назначение фильтра - пропуск воды из водоносного горизонта внутрь скважины и предохранение ее водоприемной части от завалов в результате оплывания и обрушения пород. Фильтры ставятся в рыхлых, главным образом, в песчаных породах, в водоносных горизонтах, сложенных рыхло-обломочными скальными породами, гравием, частично сцементированным песком, в качестве фильтра ставят дырчатые трубы, защищающие скважину только от обрушения пород. В устойчивых трещиноватых водоносных породах, а также при каптировании водоносных песков, залегающих под прочной водоупорной кровлей (мощные пласты глин, известняков, песчаников), их не ставят. Каптаж - сооружение, обеспечивающее доступ к подземным водам. Простейшим видом каптажа являются колодец и буровая скважина.

Фильтр обычно состоит из рабочей части (перфорированная труба с сеткой или без нее), отстойника, в котором при откачке оседают частицы песка, и над-эильтровой (вспомогательной) части, расположенной выше рабочей. Перед спуском фильтровой колонны в нижнюю часть отстойника забивают деревянную пробку (или дно заваривают), чтобы предупредить возможность засасывания песка в скважину при откачке воды.

Для обеспечения нормальной работы фильтра его необходимо правильно установить на забой. Для этого точно измеряют глубину скважины от настила над шурфом до забоя. Если эта глубина после прекращения бурения не уменьшилась, то в скважину можно опустить фильтр на колонне штанг или труб, имеющей вместе с фильтром длину, соответствующую глубине, полученной при замере. В противном случае необходимо при помощи желонки очистить забой и только после этого опустить на него фильтр. При опускании фильтра следует избегать вращения штанг.

9. Технология бурения

В соответствии с выбранным способом бурения, типом породоразрушающего инструмента (ПРИ) и условиями бурения разрабатывается оптимальный режим бурения для каждого типа ПРИ по интервалам глубин в соответствии с физико-механическими свойствами горных пород.

Основными факторами технологического режима бурения являются осевая нагрузка на забой, скорость вращения ПРИ, количество очистного агента, необходимого для рационального выноса шлама с забоя.

Интервал 0-14 м (под направление) будет пройден шнековым долотом ДБШ диаметром 320 мм.

Для данного интервала расчет режимных параметров не производится.

Осевая нагрузка принимается равной 500 даН

Частота вращения принимается равной 100 об/мин

Промывочная жидкость не используется.

Интервал 14-52 м (под кондуктор), бурение на данном интервале производится шарошечным долотом III 243С-ГВ диаметром 243 мм

1. Частота вращения, об/мин:

об/мин (принимаем 140 об/мин)

где окружная скорость шарошки, м/с; диаметр шарошки, м;

2. Осевая нагрузка на ПРИ, кН:

- удельная нагрузка на квадратный сантиметр шарошечного долота H/смІ.

=210 Н/смІ

- площадь рабочей поверхности смІ

3. Расход промывочной жидкости определяем по формуле л/мин,

л/мин (принимаем 320 л/мин)

где q_уд-удельный расход на один см диаметра долота, D-диаметр долота, см.

Интервал 52-85 м (под эксплуатационную колонну) бурение на данном интервале производится шарошечным долотом III190Т-ЦВ диаметром 190 мм

об/мин (принимаем 140 об/мин)

л/мин (принимаем 180 л/мин)

Интервал 85-140 м (под фильтровую колонну) бурение на данном интервале производится шарошечным долотом III112Т-ЦВ диаметром 112 мм

об/мин (принимаем 225 об/мин)

л/мин (принимаем 88 л/мин)

В свою очередь вскрытие водоносного горизонта осуществляется на интервале 111-140 м с уменьшением на 30% выбранных ранее параметров для того, что тщательнее проработать горизонт с исключением нарушений продуктивности:

об/мин,

Q=55 л/мин.

10. Расчет потребной мощности для бурения на предельную глубину

Мощность двигателя, расходуемая в процессе собственно бурения, складывается из трех основных составляющих:

,

где, N_z - мощность, расходуемая на забое скважины; N_т - мощность на вращение колонны бурильных труб в скважине; N_ст - мощность, расходуемая в трансмиссии и других узлах бурового станка.

При бурении алмазными коронками:

,

где, Р - осевая нагрузка, даН;

n - частота вращения коронки, об/мин;

Dср - средний диаметр коронки, м (Dср=112 мм);

[кВт].

N_т - мощность на вращение колонны бурильных труб в скважине складывается из двух составляющих: N_хв - мощности на холостое вращение колонны бурильных труб в скважине и N_доп - дополнительной мощности, затрачиваемой на вращение сжатой части бурильной колонны.

Рассчитаем границу раздела зон частот вращения колонны бурильных труб:

(2.6)

где, d - наружный диаметр бурильных труб, м; - радиальный зазор,

=(D-d)/2=(0,112-0,089)/2=0,0115 м, где D-диаметр скважины, м.

; (2.7)

[кВт],

где q - масса 1 м бурильной колонны, q = 31,5 кг/м; д - радиальный зазор, д = 0,003 м; d - наружный диаметр бурильных труб, d = 0,089 м; L - глубина скважины, L =140 м.

(2.8)

[кВт].

; (2.9)

[кВт].

Мощность, расходуемая в трансмиссии и других узлах бурового станка, определяется по формуле А.Н. Кирсанова:

• =88 кВт
• [кВт]

[кВт]

Данные расчеты удовлетворяют техническим характеристикам УРБ-2А2, т.е. бурение на предельную глубину с использованием выбранного оборудования, инструмента и режимных параметров осуществимо.

11. Определение давления нагнетания насоса

Определим потребное давление в насосе на максимальную глубину скважины 140 м при конечном диаметре 112 мм; промывка СОЖ с с=1000 кг/мі. Для расхода промывочной жидкости Q = 55 л/мин = 0,0009 мі/с.

Общее потребное давление, которое должен развивать насос:

,

где k - коэффициент, учитывающий необходимость запаса давления на преодоление дополнительных сопротивлений при зашламовании скважины, образовании сальников и т.п. (k = 1,3 -1,5); р₁ - давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в нагнетательном шланге, сальнике, ведущей трубе, бурильных трубах, МПа; р₂ - давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в соединениях бурильной колонны, МПа не рассчитывается так, как используется соединение труба в трубу; р₃ - давление на преодоление сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве скважины, МПа; р₄ - давление на преодоление сопротивлений в колонковом снаряде, коронке или долоте, МПа; р₅ - давление, равное перепаду давления в гидроударнике, МПа.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных трубах, нагнетательном шланге, сальнике и в ведущей трубе.

,

где, с - плотность промывочной жидкости, кг/мі, с=1000 кг/мі; d₁ - внутренний диаметр бурильных труб, м, d₁= 0,045 м; l - длина колонны бурильных труб, м, l=L-l_кол=140 м; - скорость нисходящего потока промывочной жидкости, м/с:

,

[м/с];

л₁ - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления

(по формуле А.Д. Альтшуля):

,

где, к_Ш - гидравлическая или эквивалентная шероховатость, к_Ш=0,05^.10^-3[1];

R_е - параметр Рейнольдса:

,

где, D_э - эквивалентный диаметр канала потока, м, D_э=d₁=0,045; -кинематическая вязкость промывочной жидкости (=110^-6 мІ/с) [1];

;

;

l_э - эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в нагнетательном шланге, сальнике, ведущей трубе, м:

,

где, l_ш - длина шланга, м, l=20 м; l_с - длина сальника, м l_с= 0,8 м; l_вт - длина ведущей трубы, м, l_вт=4,7 м; d_ш - диаметр шланга, м, d_ш=0,052 м; d_с - диаметр сальника, d_с =0,049 м; d_вт - диаметр ведущей трубы, d_вт =0,054 м.

[м];

[МПа]

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении промывочной жидкости в соединениях бурильной колонны.

, [МПа]

где: n - количество резьбовых соединений, шт., n=длина КБТ/длина 1 бурильной трубы=140/4,7=29 шт.;

о - коэффициент местного сопротивления, б/р:

d_о - наименьший диаметр проходного отверстия в бурильной колонне, м, d_о=0,045 м;

а - опытный коэффициент, зависящий от вида соединения бурильной колоны, при муфто-замковом соединении а=2.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве скважины.

,

где, с₁ - плотность промывочной жидкости, обогащенной шламом, кг/мі,

с₁₌ 1040 кг/мі_; D_э - эквивалентный диаметр канала потока, D_э=D_c-d=0,112-0,089=0,0023 м;

- скорость восходящего потока, м/с:

,

где F - площадь сечения кольцевого пространства скважины:

[мІ],

[м/с];

_кр - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве скважины:

,

;

,

[МПа]

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений в колонковом снаряде и коронке, как правило, не рассчитывается, а принимается на основании практических данных в зависимости от длины колонкового снаряда, наличия керна, расхода и свойств промывочной жидкости. Для практических расчетов можно принимать р₄ =0,35 МПа [1].

Общее потребное давление, которое должен развивать насос.

МПа

Таким образом, общее потребное давление, которое должен развивать насос, будет 0,75 МПа < 6,9 МПа, что соответствует возможностям насоса НБ-50 при подаче 55 л/мин.

12. Цементирование

Цементирование производят для изоляции водоносных пластов, вскрытых при бурении скважин, удержания обсадной колонны в подвешенном состоянии, защиты обсадной колонны от коррозии, ликвидации поглощений промывочной жидкости.

Из существующих способов цементирования в практике бурения скважин на воду чаще всего применяют наиболее простой - способ одноступенчатого цементирования[10].

При этом способе на обсадную колонну навинчивают цементировочную головку, представляющую собой отрезок трубы, в котором монтируются цементировочные пробки; через 2 - 3 штуцера, установленных в этой головке, возможна закачка промывочной жидкости и цемента выше цементировочных пробок или ниже их.

Цементирование можно осуществлять с одной или двумя разделительными пробками. Разделительные пробки исключают смешивание цементного раствора с продавочной жидкостью (промывочной). Смешивание цементного раствора с продавочной жидкостью тем больше, чем больше диаметр скважин.

Цементирование эксплуатационной колонны скважины с целью водоснабжения будет производится на всю длину в связи с предотвращением коррозии обсадных труб и достижением необходимых санитарных норм к качеству воды.

В практике цементирования скважин на воду наиболее распространен тампонажный портландцемент для скважин с температурой на глубине цементируемого интервала не выше 50⁰ С.

Требуется провести расчет цементирования:

1. кондуктора

2. эксплуатационной колонны

Используется цемент со следующими параметрами: плотность цемента 3150 кг/мі; водоцементное отношение m = 0,5; плотность воды 1000 кг/мі; потери цемента K_ц=1,15; коэффициент кавернозности К₁=1,1.

1. Кондуктор диаметром D = 219 мм, опущен на глубину 52 м

Ствол скважины по длине имеет диаметры D_c = 243 мм (38 м) и D_c = 273 мм (14 м). Расчет ведется по двум интервалам. Высота подъема цементного раствора за трубами h_ц1 = 38 м и h_ц2 = 14 м; высота цементного раствора в трубах h = 5,0 м.

Решение. Внутренний диаметр кондуктора:

d = 207 мм.

Объем цементного раствора найдем из уравнения

,

мі

Количество сухого цемента найдем из уравнений

,

,

 кг

Объем воды для приготовления цементного раствора найдем из уравнения

,

мі

Объем продавочной жидкости найдем из уравнения

,

K₂=1,03-1,05-коэффициент, учитывающий сжимаемость промывочной жидкости; L-длина обсадной колонны, м.

мі

Продолжительность цементирования найдем из уравнения

,

Q_н - подача насоса л/мин; t₁=10 - 15 мин-время, необходимое на установку верхней пробки.

Подачу насоса найдем по формулам

и

Где -коэффициент динамической вязкости цементного раствора равный 6^.10^-2 Па^.с; - коэффициент Рейнольдса, для турбулентного потока равный 2320.

мі/c (306 л/мин) Принимаем 320 л/мин.

мин

Минимально необходимый срок начала загустевания цементного раствора найдем из уравнения

,

где =10-20 мин-резерв времени.

мин

Давление в конце цементирования найдем из уравнения

,

где p_г-потери давления на гидравлические сопротивления, МПа; -плотность цементного раствора кг/м

,

МПа

1835 кг/мі

1,15 МПа.

2. Эксплуатационная колонна диаметром D = 146 мм, спущенная в скважину на глубину 85 м. Ствол скважины по длине имеет диаметры D_c = 190 мм (33 м) и D_c = 207 мм (52 м). Расчет ведется по двум интервалам. Высота подъема цементного раствора за трубами h_ц1 = 33 м и h_ц2 = 52 м; высота подъема цементного раствора в трубах h = 5,0 м.

Внутренний диаметр обсадной колонны

d = 136 мм.

Объем цементного раствора найдем из уравнения

,

мі

Количество сухого цемента найдем из уравнений

,

,

кг

Объем воды для приготовления цементного раствора найдем из уравнения

,

 мі

Объем продавочной жидкости найдем из уравнения

, где

K₂=1,03-1,05-коэффициент, учитывающий сжимаемость промывочной жидкости; L-длина обсадной колонны, м.

мі

Продолжительность цементирования найдем из уравнения

, где

Q_н - подача насоса л/мин; t₁=10 - 15 мин-время, необходимое на установку верхней пробки.

Подачу насоса найдем по формулам

и

Где -коэффициент динамической вязкости цементного раствора равный 6^.10^-2 Па^.с; - коэффициент Рейнольдса, для турбулентного потока равный 2320.

мі/c; Принимаем 320 л/мин.

мин

Минимально необходимый срок начала загустевания цементного раствора найдем из уравнения

,

где =10-20 мин-резерв времени.

мин

Давление в конце цементирования найдем из уравнения

,

где p_г-потери давления на гидравлические сопротивления, МПа; -плотность цементного раствора кг/м

,

0,94 МПа.

,

1835 кг/мі

МПа

В качестве оборудования для производства цементных работ принимается цементосмесительная машина с механической системой разгрузки СМ-10 и цементировочный агрегат 3ЦА-400А.

Для предотвращения загрязнения эксплуатационного водоносного горизонта грунтовыми водами и в результате перетекания железистых вод межморенных водоносных горизонтов, по затрубному пространству в эксплуатационный водоносный горизонт колонны обсадных труб 219, 146 мм цементируются по затрубному пространству на всю длину с выходом цементного раствора по кольцевому зазору на поверхность. Величина цементной пробки, оставляемой в процессе цементации обсадных колонн, принимается равной 5,0 м для труб всех диаметров.

Качество цементирования зависит не только от правильности подбора вида цемента, состава и свойств цементного раствора, но и от других факторов связанных со спецификой процессов, происходящих в условиях скважин.

Разобщение пластов считают надежным, если:

1) исключена возможность образования каналов в цементном растворе в период его загустевания и схватывания;

2) устранена возможность фильтрации пластовой жидкости из одного горизонта в другой через загустевающее цементное тесто;

3) промывочная жидкость из интервала цементирования полностью вытеснена и замещена цементным раствором;

4) получена прочная связь между цементным камнем, горными породами стенок скважины и поверхностью обсадной колонны;

5) устранена возможность отрыва обсадной колонны от цементной оболочки и образования между ними зазора при изменении внутреннего давления или температуры жидкости в колонне;

6) обеспечена непроницаемость и высокая коррозионная стойкость цементного камня по отношению к пластовым водам.

13. Расчет мощности на выполнение спускоподъемных операций и определение рациональной скорости подъема инструмента

Талевая система применяется для производства спускоподъемных операций, когда нагрузка на крюк Gкр от веса бурового снаряда или обсадной колонны превышает грузоподъемность лебедки бурового станка Рл.

Для выбора оснастки талевой системы рассчитывают количество подвижных ветвей каната в оснастке:

;

где Gкр - нагрузка на крюк при подъеме бурового снаряда, H; Рл - грузоподъемность лебедки, Рл = 20000 Н; _c - к.п.д. талевой системы, с = 0,96-0,97.

Нагрузка на крюк при подъеме бурового снаряда рассчитывается по формуле:

;

где Кпр - коэффициент кривизны буровых труб, Кпр = 1,2; g=9,81 м/с²; L - длина колонны бурильных труб, L=140 м; lo - длина сжатой части колонны бурильных труб, м; q - масса 1 м колонны бурильных труб, q=8,24 кг/м; q₀ - масса 1 м труб, весом которых создается требуемая нагрузка на ПРИ, кг/м; с - плотность промывочного агента, с=1040 кг/мі;

с_м - плотность материала труб, для сплава 36Г2С с_м=7850 кг/мі.

L₀ и q₀ рассчитываются по следующим формулам

и

,

где а - коэффициент, учитывающий глубину скважины, а=1,4; Р - осевая нагрузка на ПРИ, Р=431,36 даН;

м;

;

Подставив все данные в формулу, получим . В данном случае используется оснастка 0Х1.

С целью сокращения времени на спускоподъемные операции оснастку талевой системы следует применять с определенной глубины, которую можно рассчитать по формуле:

м;

Следует производить бурение на прямом канате.

Мощность двигателя на подъем бурового снаряда рассчитывается по формуле:

;

где Vк - скорость подъема крюка, м/с; л - коэффициент перегрузки двигателей, л=1,5-2,0; - к.п.д. передач от двигателя до крюка, рассчитывается по формуле: =0,9?0,96=0,864.

Скорость подъема крюка рассчитывается по формуле:

?2 м/с;

где V_бi - скорость навивки каната на барабан лебедки на i передаче, V_бi=0,45; 1,8 м/с. Отсюда скорость подъема крюка Vкi=0,45; 1,8 м/с.

Для определения рационального режима подъема бурового снаряда следует рассчитать длину бурового снаряда, который может быть поднят при различных частотах вращения барабана лебедки,

, [м]

где N - мощность приводного двигателя, N=44000 Вт; нагрузка на крюке от 1 метра поднимаемого бурового снаряда:Gkp/L=13580/140=97 Н/м;

L₁=(44000•0,846)/(97 •0,45)=1136 м; L₂=(44000•0,846)/(97 •1,8)=284 м;

Далее рассчитывается длина бурового снаряда (количество свечей), поднимаемого на каждой скорости работы лебедки при условии полного использования возможностей буровой лебедки и мощности двигателя установки:

l₁=L-L₂=1136-284=852 м; n₁=852/9,4=90 шт.

Размещено на Allbest.ru

...