Разрушение горных пород при бурении скважин

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД»

Выполнил: студент гр. БГБ 14-02

Х.Х. Сулейманов

Проверил: доцент, к.т.н. О.Б. Трушкин

УФА 2016

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЗАДАНИЕ

2. ОЦЕНКА ОДНОРОДНОСТИ ИНТЕРВАЛА БУРЕНИЯ

2.1 Определение относительного размаха варьирования

2.2 Распределение показателя р_ш по глубине

2.3 Оценка однородности интервала бурения

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

4. ВЫБОР ДОЛОТ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ

ГОРНОЙ ПОРОДЫ И ОСЕВЫХ НАГРУЗОК НА ДОЛОТА

4.1 Выбор долот

4.2 Определение областей разрушения горных пород долотами

5. РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА

ПЕРВОГО КЛАССА

6. РАСЧЕТ ГИДРОМОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ ДОЛОТА

7. ВЫБОР ДОЛОТА PDC В СООТВЕТСТВИИ С МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ГОРНЫХ ПОРОД

8. ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

9. ПРИЛОЖЕНИЕ 1

10. ПРИЛОЖЕНИЕ 2

11. ПРИЛОЖЕНИЕ 3

12. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



1. ЗАДАНИЕ

Необходимо решить следующие задачи:

1) определение статических характеристик показателей механических свойств горных пород;

2) оценка однородности горных пород заданного интервала бурения;

3) выбор шарошечных долот;

4) расчет области разрушения горных пород и осевых нагрузок на долота;

5) расчет долговечности стального фрезерованного вооружения долота при абразивном изнашивании и уточнение класса основного долота;

6) выбор диаметра насадок для гидромониторного долота;

7) выбор долот PDC для заданного интервала бурения;

8) обобщение результатов расчета для заданного интервала бурения.



2. ПРОВЕРКА КРАЙНИХ ЗНАЧЕНИЙ ВАРИАЦИОННЫХ РЯДОВ НА МАЛУЮ ВЕРОЯТНОСТЬ И ОДНОРОДНОСТИ ИНТЕРВАЛА БУРЕНИЯ

2.1 Определение относительного размаха варьирования

;

;

.

Выбираем максимальный размах, т.к. он лучше характеризует однородность горных пород, т.е. выбираем ряд p_ш , R₀=0,37.

2.2 Распределение показателя p_ш по глубине

Рисунок 1 - Распределение показателя р_ш по глубине

2.3 Оценка однородности интервала бурения

2.3.1 1-й ряд

Производим ранжирование

Таблица 1 - Расчет параметров распределения крайних значений 1-го ряда горный порода бурение долото

Значения критерия К_кр берем из таблицы 2.2 методички. Так как условиям К_в>К_кр и К_н>К_кр ни одно значение из 1-го ряда, то в первой пачке маловероятных показателей нет и значения показателя следующие: 2150, 2160, 2210, 2260, 2310.

Находим:

1) среднее арифметическое значение

;

2) среднее квадратическое отклонение



2.3.2 2-й ряд

Производим ранжирование

Таблица 2 - Расчет параметров распределения крайних значений 2-го ряда

Значения критерия К_кр берем из таблицы 2.2 методички. Сравниваем получившиеся значения К_в и К_н с критериями К_кр и исключаем из ряда значения, если они удовлетворяют условиям: К_в>К_кр и К_н>К_кр. Во второй пачке маловероятными значениями являются 3120 и 2680. Члены ряда и значения показателя следующие: 2420, 2560, 2580, 2590, 2640.

Находим:

1) среднее арифметическое значение



;

2) среднее квадратическое отклонение

.

2.3.3 Оценка однородности интервала бурения

а) среднеквадратическое отклонение показателя первой пачки от

показателя второй пачки S₁₂ :

;

б) параметр распределения t₁₂ разности средних арифм. значений рядов |x₁-x₂|

;

в) находим число степеней свободы

=>t=2,23.

Сравниваем вычисленное значение t₁₂ с критическим:

t_табл = 2,31 < t₁₂ = 8,375

Это значит, что различие статистически значимо, рассматриваемый интервал бурения неоднородный. Последующие расчеты выполняются для интервала, относящегося ко второй пачке.



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Для интервала бурения проводим обработку всех вариационных рядов, т.е. вычисляем: среднюю арифметическую , среднеквадратическое отклонение S, нижнюю x_н и верхнюю х_в границы случайной величины и заносим в таблицу 4.

Расчеты покажем на примере предела текучести горной породы по штампуP₀:

1. МПа;

2..

3. В случае 1-й случайной величины число степеней свободы и тогда параметр Стьюдента (табл. 2.4) t =2,78 . Мы имеем:

МПа;

МПа;

Аналогично рассчитывается и для других показателей.

Категории рассчитываются по следующей формуле:

Н = 12[1 - ехр(-0,00487·р_ш^0,666)], кат



Таблица 3 - Статистические характеристики показателей механических свойств и пористости горных пород



4. ВЫБОР ДОЛОТ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ И ОСЕВЫХ НАГРУЗОК НА ДОЛОТА

4.1 Выбор долот

Выбираем долота, тип опор шарошек и систем промывки:

типа СТ - для 1-го класса (приложение 1);

типа СЗ - для 2-го класса (приложение 1);

тип опор НУ (по частоте вращения долот n_д = 110 - 300 об/мин);

промывка гидромониторная Г.

Записываем шифр выбранных долот обоих классов:

190,5СТ-ГНУ(234) 190,5СЗ-ГНУ(545)

4.2 Определение областей разрушения горных пород долотами

4.2.1 Расчет угнетающего давления на забое

; где: - давление в скважине динамическое;

- или ожидаемые колебания давления в скважине,

МПа; - плотность бурового раствора;

= k •=1,06•1,2=1 272 кг/м³

где: МПа - относительное пластовое давление;

k - коэффициент запаса, зависящий от глубины скважины ( k = 1.06)

- давление в скважине статическое,

кг/м³ - плотность воды;

z = 4600м - максимальная глубина бурения;

МПа

4.2.2 Расчетные характеристики долот и горной породы

;

где: k_у - поправочный коэффициент,

;

где коэффициент ;

;

;

МПа;

;

;

МПа;

4.2.3 Расчет областей разрушения горных пород и осевых нагрузок на долота

а) для долота 1-го класса

Использование экспериментальных коэффициентов при расчете областей разрушения горной породы потребовало приведения осевой нагрузки на долото к безразмерному виду G:

G = k_дG_i/G_s, G = 1,3200/85,78=1,42

где k_д - коэффициент динамичности нагружения долота(k_д =1,3); G_i и G_s - осевые нагрузки: действующая статическая и необходимая для достижения предела текучести в горной породе под вооружением долота.

; b= b₀ + 2htg,

где: =22^о - половина угла при вершине зуба( таблица 4.7 методички)

- начальное притупление зубьев (таблица 4.3 методички);

- доля одновременно работающего вооружения;

мм - сумма длин зубьев (таблица 4.3 методички).

Рассчитываем нагрузки G по областям разрушения и заполняем таблицу 5:

1) Для примера: h=h_з*0=0 мм; b=1,6+2*0*tg22⁰=1,6 мм

кН;

1 скачок: кН;

2 скачок: кН

3 скачок: кН

4 скачок: кН.



Расчёты для других значений проводятся аналогично. Результаты расчетов записываем в таблицу 5.

Таблица 4 - Исходные данные и результаты расчетов осевой нагрузки на долото 1-го класса

Расчетный параметр	Значения параметра при относительном износе h0 = h/hз
	0	0,25	0,50	0,75
h, мм	0	2,25	4,5	6,75
b, мм	1,6	3,42	5,24	7,05
Gн1, кН	26,40	56,39	86,38	116,37
Gн2, кН	108,22	231,19	354,16	477,14
Gн3, кН	156,39	334,10	511,81	689,52
Gн4, кН	204,56	437,01	669,46	901,91
Gs, кН	85,78	183,26	280,74	378,22

Результаты расчетов представим графически в виде зависимостей G_нk от h (Рис. 2)

Рисунок 2 - Области разрушения горной породы долотом 1^-го класса

Определяем область диапазонов нагрузки:

Новое долото работает в 3-й области разрушения, до износа зубьев на 6,25% при нагрузке 156,39-200кН. После чего при нагрузках 137,5-200 кН работает во 2-й области разрушения до износа зубьев на 18,75%, и переходит в первую область разрушения при нагрузках 50-200 кН до износа на 75%.

б) для долота 2-го класса

Оценим возможную область разрушения г.п. Для этого рассчитываем значение безразмерной нагрузки - ожидаемой величины Gґи сравним с:

где: k_д = 1,2 - коэффициент динамичности;

G_п = 200 кН - предельная нагрузка для долот 190,5мм;

С - средний модуль деформации породы;

- доля одновременно работающего вооружения;

Уd_Я = 102 мм - сумма диаметров зубков (из табл. 4.4 методички);

R_ц = 3,57 мм - радиус.

Оцениваем полученное значение:

- соответствует 1-й области разрушения

Вычисляем верхнюю и нижнюю нагрузки для принятой области разрушения. Отличием является то, что осевая нагрузка зависит как от предела текучести горной породы, так и от ее упругости (С):

Рассчитываем нижнюю нагрузку k-го и k+1 скачка по формуле:



кН;

кН;

G_н2 > G_п, G_н1 < G_п Это значит, что я имею дело с 1-й областью разрушения, а диапазон нагрузок для нее: G = 91,05 - 200 кН



5. РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА ПЕРВОГО КЛАССА

На долговечность рассчитывается один зуб долота, имеющий средневзвешенные геометрические размеры. Схема зубка приведена в приложении 2.

Расчетная формула имеет вид:

где: - начальное притупление

А и k - экспериментальные коэффициенты, входящие в зависимости скорости изнашивания стали а от удельной мощности трения N_уд, которая для обломочных горных пород имеет вид: A =a/N_уд^k. Эти значения мы находим по средним значениям показателей абразивностии при удельной мощности 1 и 5 Вт/мм²: при N_уд = 1 Вт/мм²: A =0,065/1^k.,

при N_уд = 5 Вт/мм²: A =0,533/5^k,

A = 0,065; k= 1,31;

N_Я - интенсивность мощности трения, находим по формуле:

где: - мощность, реализуемая долотом, равная

кВт



где об/мин - частота вращения долота;

- коэффициент, учитывающий увеличение рабочей площадки зуба за счет скругления его вершины;

мм - диаметр долота;

где H - средняя твёрдость горных пород в категориях;

- относительное смещение осей шарошек долота;

- доля мощности трения скалывания (из методички);

- сумма зубьев долота (из таблицы 4.3 метод.);

l - средняя длина рабочей поверхности зуба:

мм

где мм - сумма длин зубьев (из табл. 4.3);

- сумма венцов на шарошках (из табл. 4.3).

Вт/мм;

, - половина угла при вершине зуба (табл. 4.7).

Рассчитываем зависимость Т от h и отобразим графически (Рис. 3) :

ч;

Рассчитываем стойкость:

ч ; ч; ч

Путем интерполяции уточним величину стойкости опоры в соответствии с заданной частотой вращения долота по формуле:

ч;

где Т₂ и Т₁ - меньшее и большее значения стойкости опоры; n₂ и n₁ - большее и меньшее значения частот вращения, взятые из табл. 4.2.

Вычисляем средневзвешенная область разрушения с учетом того, что стойкость долота равна стойкости опоры. При этом вооружение изношено не на величину h_п, а только на величину h_ф.

Рассчитанная величина соответствует 1-й области разрушения для долот 1-го класса.



6. РАСЧЕТ ГИДРОМОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ ДОЛОТА

Находим необходимый расход бурового раствора

м³/с

где: м/с - удельный расход бурового раствора (из методички);

м² - площадь забоя скважины.

В случае гидромониторного долота необходимо обеспечить скорости истечения жидкости v_uиз насадок от 60 до 120 м/с. Условие v_m> 60 м/с вытекает из необходимости обеспечения гидромониторного эффекта на забое скважины. Гидромониторный узел долота показан на рисунке 3. Стрелкой показан вектор скорости v_u, а размерными линиями расчетный диаметр dнасадки.

Рисунок 5 - Гидромониторный узел долота с гвоздевым креплением насадки

1 - корпус долота; 2 - насадка; 3 - резиновое уплотнительное кольцо;

4 -гвоздь, крепящий насадку в корпусе долота

Пo величине выбранного расхода жидкости Q и скорости истечения рассчитываем площади каналов и подбираем (по таблице 6.1) насадки соответствующих диаметров d_н.

Площадь канала насадки 3^-хшарошечного долота:

при м/с мм², =>d_н1 = 11,1 мм;

при м/с мм², =>d_н2 =7,9 мм.

Считаем перепад давления на гидромониторном долоте по выбранным диаметрам насадок по формуле:

,

где: Q = 0,016 м³/с - выбранный расход бурового раствора;

с_б.р. = 1272 кг/м³ - плотность бурового раствора;

м = 0,9 - коэффициент расхода;

f_н - площадь канала выбранной насадки, м².

2,37 МПа;

10,11 МПа.



7. ВЫБОР ДОЛОТА PDC В СООТВЕТСТВИИ С МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ГОРНЫХ ПОРОД

Определяем абразивности горных пород в категориях:

где Ак - абразивность горной породы в категориях.

Рассчитываем категории для средних значений абразивности:

кат.

кат

Рассчитываем категории для верхних значений абразивности:

кат.

кат

Из полученных значений категорий для показателей абразивности при удельной мощности 1 и 5 Вт/мм² , выбираем те, которые больше по значению.

кат ; кат

кат ; кат

Исходя из значений категорий твердости и абразивности, выбираем PDC долото с 9 лопастями (Таблица 5.2 учебного пособия и приложение 3) как удовлетворяющее и твердости, и абразивности горной породы. Записываем шифр PDC долота.

НПП «Азимут» : 9Л-190,5РСА2

ООО «Буринтех» : БИТ-190,5Т98У02



8. ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

Таблица 5 - Расчетные параметры, характеризующие режим бурения:

Интервал, м	Плотность бурового раствора, кг/м3	Частота вращения долота, об/мин	Тип долота	Диаметр насадок, мм	Области разрушения породы	G по областям разрушения, кН	Стойкость, ч
							Тв	Т0
2600-3100	1272	120	СТ - 1-й класс	7,9-11,1	3 2 1	156,39 - 200 137,5 - 200 50 - 200	24,64	14,58
			СЗ - 2-й класс	7,9-11,1	1	91,05-200	--	14,58

1. Оба долота обеспечивают объемное разрушение горной породы (долото 1-го класса - 1,2,3 области объемного разрушения; долото 2-го класса - 1 область объемного разрушения).

2. Средневзвешенные области разрушения долот одинаковы.

3. Долото 1-го класса обеспечивает использование ресурса опор долота.

На основе этих выводов выбираем:

основное долото - 190,5СТ-ГНУ(234);

резервное долото - 190,5СЗ-ГНУ(545);

4. Так же для заданного интервала выбираем долота PDC:

НПП «Азимут» : 9Л-190,5РСА2

ООО «Буринтех» : БИТ-190,5Т98У02



9. ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Номограммы для выбора типов вооружения долот

а - для долот 1-го класса; б - для долот 2-го класса



10. ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Расчетная схема одного зуба долота 2-го класса.



11. ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Номограммы для выбора долот PDC.



12. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кафедра бурения нефтяных и газовых скважин. Разрушение горных пород: учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - 22 с.

2. Попов А.Н. Разрушение горных пород: учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - 152 с.

3. А.Н. Попов, Б.Н. Трушкин, О.Б. Трушкин. Разрушение горных пород: учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. - 38 с.

4. Буринтех. Каталог. - Уфа: изд-во Буринтех - 2014.

Размещено на Allbest.ru

...