Анализ эффективности методов отбора кернового материала при бурении поисковых и разведочных скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Сахалинский топливный-энергетический техникум (СТЭТ СахГУ)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Анализ эффективности методов отбора кернового материала при бурении поисковых и разведочных скважин

Выполнил: студент группы Б-311 Безгин А.А.

Руководитель: Коломеец Николай Николаевич

Южно-Сахалинск 2013

Содержание

Введение

1. Организационная часть

1.1 Особенности режима бурения при отборе керна

1.2 Методы и технические средства, использования при отборе керна

2. Расчетно-технологическая часть

2.1 Критерий оценки эффективности применяемых режимов бурения

2.2 Отбор керна в осадочных породах

2.3 Условия подачи бурильного инструмента и погружения долота

2.4 Режимы бурения алмазным долотом

2.5 Керноотборные снаряды для роторного бурения

2.6 Рассчитать потери давления в циркуляционной системе буровой установки и вычислить давление на выкиде насосов

Заключение

Список литературы

бурение керн долото насос

Введение

В настоящее время уделяется все возрастающее внимание качеству и хранению кернового материала, отобранного из продуктивных горизонтов. Для повышения надежности получения параметров по данным анализа кернового материала их определяют несколькими различными независимыми методами. Например, коэффициент нефтенасыщенности определяют экстракционным методом, импульсным методом, ядерно-магнитного резонанса и фотокалориметрическим методом. Полученные результаты совместно с анализом кернового материала и геофизических исследований позволят оценить значение величин предельно возможных дебитов по отдельным пачкам, что возможно было сделать ранее лишь путем испытания пакером отдельно каждого взятого интервала. Практически невозможно непосредственно на буровой организовать анализ кернового материала, поступающего в большом количестве при бурении со сплошным отбором.

В связи с этим основной задачей является надежное сохранение в керне начальной водонасыщенности как в момент отбора, так и в процессе доставки образцов пород на анализ. Имеющиеся рекомендации на этот счет сводятся или к простому парафинированию ( образец породы опускается в парафин) или к парафинированию с использованием марли в последовательности парафин - марля - парафин. Выход керна определяют в процентах к пробуренному метражу. 100%-ный выход керна позволяет с полной достоверностью изучать горные породы, пересечённые буровой скважиной, и определять запасы полезного ископаемого.

1. Общая часть

1.1 Особенности режима бурения при отборе керна

В большинстве случаев отбор керна производится при бурении породы колонковым методом, а само бурение с отбором керна - колонковым. Внутри колонковой трубы находится керноприёмник. Керноприемник состоит в основном из головки, керноприёмной трубы и кернорвателя. Керноприёмники разнообразны, так как приходится отбирать керн различных пород в различных условиях. Разбуривание породы при отборе керна происходит по кольцу и керноприемник как бы наползает на образующийся внутри кольца столбик породы. Образцы керна забираются в трубу в относительно неповреждённом состоянии. Разрушенная порода (шлам), не попавшая в керноприемник, выносится на поверхность промывочной жидкостью или сжатым воздухом (газом), нагнетаемым в скважину буровым насосом или компрессором. Керн заклинивают, отрывают от забоя и поднимают на поверхность. После изъятия керна из керноприемника, он расскладывается в керновые ящики в строгой последовательности нахождения его в геологическом разрезе скважины. Весь поднятый керн детально описывается и передается на хранение в кернохранилище. В дальнейшем керн исследуется и анализируется (химический, спектральный, петрографический и другие анализы) в лаборатории с помощью различных методов и на различном оборудовании, в зависимости от того, какие данные должны быть получены. Обычно при анализе используется небольшая часть керна. По истечение определенного времени согласно руководящим документам часть керна, не имеющая существенного значения, сокращается (ликвидируется).

В последние годы керн при бурении для лучшей сохранности отбирается (попадает) в пластиковые или алюминиевые трубы (контейнеры). После извлечения из бурового инструмента эти трубы (контейнеры), заполненные керном, для удобства режутся на отрезки, обычно метровой длины. Для детальных исследований эти отрезки в свою очередь разрезаются вместе с керном пополам вдоль оси, как представлено на фотографии.

Основным количественным показателем бурения скважин с отбором керна является вынос керна (в %). Кроме того, время работы инструмента при отборе керна необходимо согласовывать с ожидаемой его долговечностью. В случае отбора керна в многолетнемерзлых породах целесообразно применять агенты для очистки скважины с отрицательной температурой и не растворяющие лед. Технико-технологические факторы включают: совершенство конструкции колонковых долот, их соответствие разбуриваемым горным породам, правильность выбора режима бурения при отборе керна и компоновки инструмента.

Поэтому наряду с усовершенствованием техники и оптимизацией технологии бурения с отбором керна необходимо уделять особое внимание профессиональной подготовке бурильщиков и их материальной заинтересованности в отборе керна высокого качества.

Изучение бурения с отбором керна показало, что с увеличением осевой нагрузки на бурильную головку, для краткости буровой головку, и расхода бурового раствора вынос керна вначале растет, а затем монотонно снижается.

По сравнению с бурением сплошным забоем режим бурения для отбора керна имеет особенности, обусловленные дополнительным условием обеспечения достаточного выноса керна. Видно, что при отборе керна применяются весьма щадящие режимы бурения.

Все снаряды для колонкового бурения вне зависимости от конструкций состоят из следующих основных частей:

бурильной головки для разрушения породы вокруг обуриваемого керна;внешнего корпуса;внутренней колонковой трубы для сохранения и выноса керна;

кернодержателя (кернорвателя).

По принципу применения снаряды для колонкового бурения подразделяют на снаряды (керноприемные устройства) с несъемной (постоянной) колонковой трубой и на снаряды со съемной грунто-ноской. При работе снарядами для колонкового бурения со съемной грунтоноской керн извлекается специальным ловителем на канате, бурильную головку поднимают после полной ее отработки.

Процесс подъема загруженной грунтоноски и спуск новой протекает следующим образом. При спуске ловитель захватывает грун-тоноску за головку, соединенную с колонковой трубой. После захвата грунтоноски ловителем производится подъем ее при помощи лебедки, установленной на поверхности. После подъема грунтоноски с керном в бурильные трубы сбрасывают пустую грунтонос-ку, которая, дойдя до снаряда, садится головкой на опору. Бурение продолжается. В последнее время почти повсеместно используют снаряды для колонкового бурения со съемной грунтоноской.

По типу бурильные головки делятся на лопастные, шарошечные и алмазные*. В снарядах для колонкового бурения всех типов керн образуется бурильной головкой, а для отрыва и удержания керна служит кернодержатель.

Значение кернодержателя в обеспечении хорошего выхода керна очень велико.Существует большое число различных конструкций кернодержателей. Ту или другую конструкцию применяют в зависимости от условий бурения, физико-механических свойств разбуриваемых пород и т. п. Приемником отобранного керна является колонковая труба, заканчивающаяся сверху клапаном, через который из колонковой трубы выходит промывочная жидкость.

Лопастные бурильные головки с тремя и четырьмя лопастями предназначаются для бурения колонковыми долотами в тех же породах, что и лопастные долота для сплошного разрушения забоя, их конструкции и материалы также аналогичны. У нас в стране распространены при колонковом бурении шарошечные бурильные головки. Они могут быть одно-, трех-, четырех- и шестишаро-шечные.* К последним относятся также бурильные головки, армированные синтетическими алмазами.

Алмазные бурильные головки по своей конструкции, вооруженности алмазами на единицу площади аналогичны алмазным долотам для сплошного разрушения забоя.

1.2 Методы и технические средства, использования при отборе керна

Колонковое бурение скважин является основным техническим средством разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Колонковое бурение также широко применяется при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях и на структурно картировочных изысканиях при поисках нефтяных и газовых месторождений. Кроме того, колонковое бурение применяется для различных инженерных целей - взамен проходки шурфов бурят скважины большого диаметра, а также шахтные стволы.

Колонковое бурение скважин имеет большое применение по следующим причинам:

* извлекают из скважин цилиндрические столбики породы - керны, по которым составляют геологический разрез и опробуют полезное ископаемое;

* бурят скважины под различными углами к горизонту, различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости;

* бурят скважины малых диаметров на большую глубину, применяя относительно легкое оборудование.

Колонковое бурение скважин производится следующим образом. Перед началом бурения на месте заложения запроектированной скважины разравнивают площадку, выкапывают ямы под емкости для промывочной жидкости и под фундаменты и собирают буровую установку. При отсутствии электроэнергии станок и насос приводятся через соответствующие трансмиссии от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

После проверки и наладки буровой установки в должном направлении производится забуривание скважины, после чего устье скважины закрепляется направляющей трубой. Одновременно оборудуется система для очистки бурового раствора от разбуренной породы (шлама).

Если бурение скважин ведется по устойчивым породам, то для промывки скважины применяется вода. При бурении скважины в недостаточно устойчивых породах промывку ведут глинистым пли другим раствором, укрепляющим малоустойчивые стенки скважины. При бурении в относительно безводных скважинах, а также в льдистых мерзлых породах с успехом может применяться продувка забоя сжатым воздухом или газом. При высокооборотном алмазном бурении скважин для промывки применяют слабые растворы эмульсий, способствующие снижению сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины и уменьшающие вибрацию бурильной колонны, часто возникающую при высоких частотах вращения. После того как колонковая труба наполнится керном, приступают к подъему инструмента на поверхность.

При бурении в твердых и абразивных породах иногда приходится прекращать бурение скважин и приступать к подъему инструмента из-за значительного снижения скорости бурения вследствие затупления резцов коронки.

При бурении в трещиноватых породах часто производят подъем инструмента вследствие самозакаливания керна в колонковом снаряде и снижения скорости бурения.

Перед началом подъема керн должен быть крепко заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. Если скважина пересекает неустойчивые породы, которые обваливаются или выпучиваются даже при применении специальных промывочных растворов, в нее опускают колонну обсадных труб, перекрывая неустойчивые породы, после чего продолжают бурение скважин породоразрушающим инструментом меньшего размера. Через 50-100 м углубления измеряют угол наклона и направление (азимут) скважины. После того как скважина пересечет полезное ископаемое и врежется в пустые породы лежачего бока, бурение прекращают, инструмент поднимают и разбирают. В скважине производят геофизические исследования, измеряют кривизну скважины, температуру, проверяют глубину скважины, после чего производят ликвидационное тампонирование скважины. Возможности прямого определения показателей абразив-ности весьма ограничены, так как сплошной отбор керна в скважинах, как правило, не проводится.2) для бурения кольцевым забоем с отбором керна (образцов горной породы, проходимой скважиной) -- бурильные головки;1) предусматривается отбор керна; из всех перспективных горизонтов должен быть отобран достаточно представительный керн или эти горизонты проводятся со сплошным отбором керна.

В опорных скважинах проводится сплошной отбор керна во всех интервалах, поскольку результаты изучения всего разреза нового, еще неосвоенного района представляют интерес нетолько для нефтяников, газовиков, но и для других отраслей народного хозяйства.

Введем основные показатели, характеризующие совершенство колонковых долот с точки зрения отбора керна. Чем выше коэффициент, тем лучше колонковое долото удовлетворяет требованию отбора керна максимально возможного диаметра, которое предназначено для отбора керна при высокооборотном бурении и создано на базе турбобура с полным валом, через который проходит съемная колонковая труба (грунтоноска).В скважину турбодолото спускают без грунтоноски, которую сбрасывают в бурильные трубы после промывки перед началом отбора керна.

Видно, что бурильные головки ИСМ предназначены для отбора керна в горных породах, твердость которых не превышает шестой категории, но бурильными головками типа Т можно отбирать керн в высокоабразивных горных породах.Они предназначены для отбора керна в тех условиях, где нельзя применить нешарошечные бурильные головки.После отбора керна диаметр скважины увеличивают (скважину расширяют) до диаметра 244,5 мм с помощью расширителя.

При нагружении долота осевой нагрузкой,создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забоюю

2. Расчетно-техническая часть

2.1 Критерий оценки эффективности применяемых режимов бурения

Таким критерием может служить рейсовая скорость или стоимость 1 м проходки, так называемая экономическая скорость. Спущенное в скважину долото стремятся отработать при таких значениях параметров режима бурения и бурить им столько времени, чтобы обеспечить либо максимальную скорость проходки, либо минимальную стоимость 1 м проходки. Влияние количества и качества бурового раствора. Промысловыми наблюдениями и лабораторными исследованиями установлено, что наилучшие результаты работы долот имеют место, когда выбуренная порода своевременно удаляется с забоя, в противном случае она оказывает дополнительное сопротивление долоту.

Чистота забоя скважины, а следовательно, и собственно процесс бурения зависят от следующих факторов.

Качество бурового раствора. Очистка скважины от мелкого шлама лучше обеспечивается при глинистых растворах с малой вязкостью и малой прочностью структуры. Крупные куски шлама лучше удаляются при густых и вязких растворах. Увеличение плотности повышает подъемную способность глинистых растворов.

В то же время установлено, что механическая скорость проходки зависит от величины дифференциального давления, представляющего собой разность между давлением столба бурового раствора в скважине и пластовым (поровым) давлением. Давление столба бурового раствора (гидростатическое давление) прямо пропорционально его плотности. Если дифференциальное давление больше 3,5 МПа, то механическая скорость проходки остается примерно постоянной. С увеличением плотности бурового раствора увеличивается давление на забой скважины, сопротивляемость пород разрушению возрастает, вследствие чего показатели бурения уменьшаются. В случаях когда геологические условия позволяют, следует использовать в качестве промывочной жидкости воду, газ или воздух с обязательной компенсацией их недостаточной подъемной способности высокой скоростью движения в затрубном пространстве.

Количество бурового раствора, подаваемого на единицу площади забоя скважины. На основании обобщения экспериментальных исследований установлено (исследования проводились при бурении роторным способом и электробуром), что технологически необходимое количество промывочного раствора,л/с,

где 0,07 -- переводной коэффициент; П₃ -- площадь забоя скважины, см².

Превышение производительности буровых насосов над вычисленной по данному соотношению величиной не приводит к существенному изменению механической скорости проходки.

Скорость истечения потока жидкости из отверстий долота и расположения этих отверстий по отношению к шарошкам и забою скважин. С увеличением скорости истечения бурового раствора из долотных насадок улучшается очистка забоя скважины, а следовательно, возрастает механическая скорость бурения. Наблюдения показывают, что значительный рост механической скорости проходки достигается в том случае, когда скорость струй, вытекающих из насадок гидромониторного долота, превышает 60... 75 м/с.

Рис. 7.1 Кривая зависимости механической скорости проходки от осевой нагрузки

Большое влияние на условия очистки забоя оказывает высота зубьев шарошек. Чем больше просвет между шарошками и забоем, тем совершеннее его очистка и выше значения Н/п. Наименьшие значения Н/п наблюдаются в тех случаях, когда применяются алмазные долота, в которых зубья (алмазы) выступают за матрицу на незначительную высоту, и штыревые с твердосплавными вставками, почти уплотненными в теле шарошки.

Влияние частоты вращения долота. Установлено, что при увеличении частоты вращения долота механическая скорость проходки растет, достигая максимальной величины, а потом снижается. Каждому классу пород (пластичных, пластично-хрупких и хрупких) соответствуют свои критические частоты вращения долота, превышение которых вызывает снижение механической скорости проходки. Следует иметь в виду, что повышение частоты вращения шарошечных долот снижает долговечность их работы из-за интенсивного износа опор и сокращает проходку за рейс долота.

Влияние осевой нагрузки. По многочисленным отечественным и зарубежным исследованиям влияние осевой нагрузки на механическую скорость может быть охарактеризовано графиком, отражающим качественную сторону процесса (рис. 7.1). На кривой ^ум~/(Рц) выделяются три области. Область I характеризуется тем, что скорость V_м увеличивается пропорционально увеличению Р_и.

В этой области удельная нагрузка значительно меньше прочности разрушаемой породы, поэтому процесс разрушения носит поверхностный характер. Область I называется областью поверхностного разрушения.

Во II области V_м также увеличивается с ростом Р_Л9 но в данном случае механическая скорость растет быстрее, чем увеличивается создаваемая на долото нагрузка. В этой области породы разрушаются при удельной нагрузке, меньшей твердости разрушаемой породы, но уже близкой к ней.

Эта область условно называется областью усталостного разрушения. На границе II и III областей удельная нагрузка будет соответствовать твердости разрушаемой породы.

В III области процесс разрушения носит объемный характер. Область III называется областью нормального или объемного разрушения. Разделение режимов разрушения породы является условным, так как при работе долота разной степени наблюдаются все три вида разрушения.

2.2 Отбор керна в осадочных породах

Метод отбора образцов горных пород из стенок скважины боковыми сверлящими керноотборниками на кабеле позволяет получать надежную информацию для определения минералогического состава горных пород, характера насыщенности пластов, их литологического расчленения, определения коллекторских и физических свойств горных пород с целью использования полученных материалов для подсчета запасов.

Анализ полученных результатов позволяет представить процесс выбуривания керна сверлящими керноотборниками в скважинах, заполненных промывочной жидкостью, следующим образом.

Сочетая быстроту и оперативность, характерные для геофизических методов, с информативностью прямых определений состава и свойств горных пород при колонковом бурении, метод отбора керна из стенок скважин сверлящими керноотборниками позволяет эффективно решать следующие геологические задачи.

Основные факторы, обусловливающие конструкцию сверлящих керноотборников в необсаженных скважинах: характер горных пород, из которых отбирается керн, глубина залегания горных пород, конструкция скважин, давление и температура в точках отбора, параметры глинистого раствора. Из физико-механических свойств горных пород, определяющих конструкцию породоразрушающего инструмента, технологию выбуривания образца сверлящими керноотборниками, основным является буримость горных пород.

Образцы горных пород при роторном и турбинном бурении отбирают посредством колонковых долот. Этот способ позволяет извлекать образцы, не нарушая последовательности залегания пород, в неразрушенном состоянии. Колонковые долота обеспечивают разбуривание забоя по кольцу, при этом внутри сохраняется целик породы -- керн. Высокоэффективны для отбора керна снаряды с бурильными головками различных типов, в устройство которых в последнее время внесен ряд усовершенствований.

После извлечения керна из грунтоноса его очищают от глинистого раствора и укладывают в ящики с перегородками таким образом, чтобы сохранить последовательность залегания, указывая на специальных этикетках верх и низ каждого интервала отбора керна. Отколовшиеся куски керна совмещают по плоскостям раскола.

Рыхлый материал обертывают в бумагу и размещают в ящике в последовательности залегания.

Этикетки, прилагаемые к верхней и нижней частям интервала, должны включать следующие данные: площадь, на которой проводилось бурение; номер скважины; дату отбора; интервал отбора, м; выход керна (в м и % к длине интервала); номер образца; литологическое описание породы.

Колонковыми долотами удается поднять керн длиной от 40 до 90 % длины пройденного интервала.

Если керн почему-либо не удалось поднять, но геофизические данные свидетельствуют о возможной газонефтеносности пород, можно воспользоваться боковым грунтоносом, допускающим отбор керна в любом пробуренном интервале. Недостатками этого метода являются небольшая длина и диаметр извлекаемых образцов, что затрудняет определение угла падения пород.

Особый интерес представляют методы отбора керна, при которых он максимально сохраняет особенности, свойственные ему в пластовых условиях (в первую очередь имеется в виду нефтегазонасыщенность пород). Для подъема пород с минимальными потерями нефти применяют также специальные промывочные жидкости, к которым относятся известково-битумные смеси и инвертные нефильтрующиеся эмульсии.

В том случае, если интересующие отложения где-либо в районе работ залегают на небольших глубинах и образуют выходы на поверхность, необходимо отобрать и исследовать их образцы. При этом необходимо подробно описать и вычертить разрез всего обнажения, определить элементы залегания пород, замерить мощность каждого прослоя. Этот материал позволит откорректировать построения, выполненные на основе изучения керна, поскольку в обнажении представлен материал всех пород, в том числе и рыхлых, которые могут быть разрушены при извлечении керна, а также проследить фациальные изменения отложений, если обнажение расположено на значительном расстоянии от скважин.

Основные физико-механические свойства горных пород, влияющих на процесс их разрушения. Разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы выбирают в зависимости от физико-механических свойств горных пород, которые определяются комплексом геологических признаков: минералогическим составом, структурой, текстурой и рядом других.

Горными породами называют естественные скопления минералов, возникшие в результате тех или иных геологических процессов в земной коре.

Поэтому многие свойства горных пород будут зависеть прежде всего от свойств самих минералов, их химического состава, формы и размеров минеральных частиц, расположения в пространстве, характера и силы связи между частицами, условий формирования пород и их строения.

Генетическая классификация горных пород по составу, принятая при геологических исследованиях, с учетом их происхождения (магматические, осадочные, метаморфические) приводится в сокращенном виде, как предпосылка к характеристике пород по физико-механическим свойствам.

Свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, весьма многообразны. Различают физические и механические свойства горных пород. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей.

Основные физико-механические свойства горных пород.

Физико-механические свойства горных пород в образце всегда существенно отличаются от их свойств в условиях естественного залегания. В массиве породы, как правило, более неоднородны по составу, строению и физическому состоянию и более анизотропны по свойствам. Это обусловлено тем, что массивы горных пород обычно имеют поверхности и зоны ослабления, значительно и неравномерно трещиноваты и выветрелы, в них более резко выражены текстурные признаки (слоистость, сланцеватость, полосчатость и др.),часто они нарушены тектоническими подвижками и имеют различное напряженное состояние в зависимости от положения в геологической структуре района.

Ниже приведены термины, определения и краткие характеристики основных физико-механических свойств горных пород, оказывающих наиболее сильное влияние на процесс (характер их разрушения) бурения скважин.

К таким свойствам горных пород, в первую очередь, следует отнести их твердость и абразивность, упругость и пластичность, пористость и плотность, трещиноватость и устойчивость и др.

Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости слагающих ее минералов.

Скорость бурения в большей степени зависит от агрегатной твердости породы. Например, слабо сцементированный песчаник не является твердой породой и разрушается буровой коронкой сравнительно легко, несмотря на высокую твердость его основного породообразующего минерала - кварцевых зерен.

Наиболее просто твердость минералов, определяется по шкале Мооса, по которой в качестве эталонов твердости выбрано десять минералов, отличащихся тем, что каждый последующий минерал царапает предыдущий, более мягкий. По шкале Мооса алмаз имеет наивысшую склеротическую твердость, равную 10.

Сопоставление данной шкалы со шкалой твердости вдавливания по Кнупу показывает, что шкала Мооса не является линейной. Шкала Кнупа обеспечивает лучшее сопоставление твердости. По этой шкале твердость алмаза лежит в пределах 8000-8500 ед. Кнупа, что в четыре раза выше корунда (1700-2000 ед.) и в три раза выше твердого сплава.

Для измерения твердости горной породы используются также другие методы, в частности вдавливание специального пуансона. Твердость породы по этому методу определяется по нагрузке на пуансон в момент ее разрушения. Количественно твердость по штампу определяется отношением разрушающей силы к площади штампа. Во время нагружения штампа (пуансона) при определении твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют твердость рш, условный предел текучести дт, коэффициент пластичности Кпл и удельную контактную работу разрушения As.

Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом давлении.

Абразивность горных пород - это особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения. Абразивность горной породы зависит от твердости породообразующих минералов, от характера сцепления зерен друг с другом, от крупности и формы зерен, от плотности породы и степени ее трещиноватости.

Наиболее абразивными являются крупнокристаллические породы, состоящие из зерен твердых минералов, слабо связанных между собой, и образующие при бурении крупный остроугольный шлам. Трещиноватые породы более абразивны, чем нетрещиноватые, монолитные. При бурении в трещиноватых и пористых породах резцы буровой коронки обкалывают острые края трещин и образующиеся при этом крупные угловатые частицы породы перетираются под торцом, вызывая интенсивный износ породоразрушающего инструмента. Кроме того, объем бурового шлама при бурении таких пород значительно увеличивается за счет частичного разрушения керна в зоне его входа в колонковую трубу, что также существенно повышает износ инструмента. При алмазном бурении абразивные свойства горных пород в массиве вызывают износ объемных и подрезных алмазов буровой коронки, которые постоянно находятся в контакте с горной породой и изнашиваются. Еще большее значение при алмазном бурении имеют абразивные свойства шлама горных пород, который вызывает износ матрицы алмазной коронки.

Этот износ возникает в результате абразивного воздействия бурового шлама и частиц раздробленного керна, выносимых промывочной жидкостью через зазор между забоем скважины и торцом коронки, а также между стенками скважины и корпусом коронки.

Степень абразивности породы в массиве не всегда совпадает со степенью абразивности ее шлама. Поэтому одно из основных правил алмазного бурения заключается в выборе коронки, у которой качество алмазов и износостойкость матрицы были бы подобраны соответственно абразивным свойствам породы, чтобы коронка равномерно изнашивалась. Износ матрицы должен опережать износ алмазов настолько, чтобы алмазы в течение всего срока службы коронки выступали из матрицы на определенную величину, необходимую для ее эффективной работы на забое.

Для оценки абразивности горных пород предложено много способов, однако в основании их положен один и тот же принцип: это истирание эталонного материала (коронка, стеклянный диск, стальной стержень и т. д.) испытуемой породой в полевых условиях. Наиболее часто применяются способы по потере веса шариков или стального стержня.

Способ стержня, разработанный Л. И. Бароном и А. В. Кузнецовым заключается в определении потери веса стержня из стали серебрянки при трении о горную породу. Стержень изготавливается из необработанной термической стали серебрянки. Диаметр стержня 8 мм. Способ пригоден для пород и минералов с твердостью 3 и выше по шкале Мооса.

2.3 Условия подачи бурильного инструмента и погружения долота

Под подачей инструмента понимают его вертикальное перемещение на поверхности, которое осуществляется опусканием ведущей трубы в ротор на некоторую величину в результате ослабления (оттормаживания) тормоза лебедки.

Под погружением долота понимают глубину внедрения долота в породу под влиянием подачи инструмента.Не следует путать величину подачи, производимой сверху бурильщиком или автоматом, с глубиной погружения долота в породу, так как колонна бурильных труб не является абсолютно жесткой системой и испытывает в зависимости от возникающих в ней усилий упругие деформации, компенсирующие разницу между подачей и глубиной погружения долота. Таким образом, погружение долота всегда меньше подачи инструмента; в то же время любое погружение долота происходит только в результате подачи инструмента. В этом состоит органическая связь и принципиальное различие этих двух понятий.

Подача инструмента, производимая бурильщиком, находящимся на поверхности, должна быть плавной, непрерывной и обеспечивающей такое удельное давление долота на забой, которое превышает сопротивляемость горных пород разрушению и создает наиболее эффективную скорость их разбуривания.

Подача инструмента осуществляется при помощи подъемного механизма -- буровой лебедки, оборудованной мощным тормозным устройством и талевой системой.

Автоматизация и механизация буровых работ, являясь основным путем к облегчению труда и увеличения безопасности, приобретает особое значение в связи с увеличением глубин, мощностей буровых двигателей и внедрением форсированных режимов бурения. В большинстве случаев передача массы инструмента на забой скважины производится бурильщиком вручную. Бурильщик должен хорошо знать условия бурения в данном районе и в соответствии с этим регулировать подачу инструмента. Выдержать равномерность подачи при помощи тормоза лебедки чрезвычайно трудно. Ручная подача очень сильно утомляет бурильщика, так как ему приходится одновременно внимательно следить за измерительными приборами, напрягать зрение, слух и, держась за ручку тормоза, по физическим ощущениям судить о характере работы долота на забое. Мастерство бурильщика приходит с годами и требует особых физических и психических данных.

Равномерная подача в пределах заданного давления на забой достигается механизированной подачей. При этом должны быть выполнены следующие основные требования:

* скорость подачи инструмента должна устанавливаться автоматически в соответствии с крепостью проходимых пород и степенью износа долота;

* скорость подачи должна плавно регулироваться в широких пределах от нескольких десятков метров в 1 ч при бурении в мягких породах до нескольких сантиметров при бурении в крепких породах;

* при остановке гидравлического забойного двигателя, а также при значительных перегрузках бурового двигателя должен быть предусмотрен реверс системы -- подъем долота с забоя;

* автомат должен быть прост и надежен в эксплуатации.

Существует целый ряд конструкций. В качестве примера рассмотрим автоматический регулятор подачи типа РПДЭ-3(рис. 1.). Этот регулятор предназначен для поддерживания режимов бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими двигателями и ротором(при бурении электробуром широкое применение получил автоматической регулятор типа БАР).

Регулятор Подачи Долота Электрический-3 обеспечивает поддержание: Заданной осевой нагрузки на долото; нагрузка задается бурильщиком с пульта управления; постоянной скорости подъема или подачи бурильной колонны; скорость задается бурильщиком с пульта управления.

Осевая нагрузка на долото измеряется с помощью электрического датчика 6 и передается на пульт управления 5, где сравнивается с величиной F0, задаваемой бурильщиком. Разность суммарных F сигналов поступает на усилители, установленные на станции управления 1. Усилитель действуют на обматку возбуждения мотор-генератор 2,вращаемого асинхронным электродвигателем, питающимся от системы электроснабжения буровой. Мотор-генератор 2 питает двигатель постоянного тока 3, установленный на приводе редуктора 4 и соединенный через цепную передачу и муфты с подъемным валом лебедки.

Рис. 1 Схема регулятора подачи РПДЭ-3

Рис. 1.2 схема стабилизатора массы 1 -- барабан лебедки; 2 -- механизм обратной связи; 3 -- гидравлический индикатор массы; 4 -- пульт управления; 5 -- поршневой механизм

Автоматическое подержание заданной осевой нагрузки на долото может осуществляться при помощи стабилизаторов массы. Наиболее широко используется стабилизатор массы типа СВМ конструкции ВНИИБТ, который можно устанавливать на буровых лебедках при наличии пневмосистемы с давлением ноздуха 0,6.„О,9 Мпа.

Все известные системы устройств для подачи долота можно подразделить на следующие основные группы:

* автоматы подачи, работающие в зависимости от величины выделяемой на бурение мощности;

* автоматы подачи, работающие в зависимости от натяжения талевого каната (нагрузки на долото);

* регуляторы подачи, осуществляющие равномерную подачу инструмента (регуляторы отличаются от автоматов подачи в основном тем, что у них отсутствует реверс бурильной колонны);

* стабилизаторы массы (веса), осуществляющие подачу инструмента при постоянстве заданной величины осевой нагрузки на долото.

Стабилизатор состоит из исполнительного пневматического поршневого механизма 5, соединяемого с рукояткой ленточного тормоза буровой лебедки; пульта управления 4 с электроконтактным манометром и рукоятками для установки осевой нагрузки на долото и подачи инструмента за один импульс; механизма обратной связи 2, соединяемого с барабаном лебедки / с помошью фрикционного ролика; соединительного электрического кабеля.

Перед включением стабилизатора массы типа СВМ в работу по шкале прибора на пульте управления задается величина осевой нагрузки на долото, которую необходимо поддерживать в процессе бурения.

Стабилизатор осуществляет импульсную подачу бурильной колонны, прерывая или возобновляя ее в процессе бурения, если фактическая нагрузка на долото отличается от заданной более чем на ±3 кН по гидравлическом индикатору массы 3. При необходимости бурильщик может в любой момент затормозить лебедку простым нажатием на тормозную рукоятку.

Стабилизаторы массы полностью не решают вопросов автоматизации, но зато позволяют в значительной мере облегчить труд бурильщиков.

2.4 Особенности режима бурения алмазными долотами

Алмазные долота с алмазно-твердосплавными резцами (АТР), алмазно-твердосплавными монолитными резцами (АТРМ) или с алмазно-твердосплавными пластинами (АТП) перспективны и находят широкое применение в практике бурения. Технико-экономические показатели алмазного бурового инструмента (АБИ) зависят от качества подготовки бурового оборудования и скважины к продолжительному бурению. При бурении АБИ с алмазно-твердосплавными резцами, алмазно-твердосплавными монолитными резцами и алмазно-твердосплавными пластинами необходимо руководствоваться Инструкцией по эксплуатации породоразрушающих инструментов, оснащенных природными, синтетическими алмазами, композиционными алмазосодержащими материалами РД 39-0148052-526-86 и Инструкцией по эксплуатации долот и бурильных головок с твердосплавной матрицей, оснащенных АТР (АТРМ) и АТП.

Для приработки и придания забою соответствующей формы следует медленно довести инструмент до забоя с промывкой буровым раствором, приподнять АБИ от забоя на 0,3...0,5 м, промыть забой скважины в течение 10 мин. После этого при медленной подаче АБИ следует коснуться забоя скважины и произвести приработку его к забою, углубляя скважину на 0,3...0,5 м с нагрузкой на АБИ 10...20 кН (1...2 тс) при максимально допустимом расходе бурового раствора, а затем при плавной подаче инструмента довести осевую нагрузку на АБИ до оптимальной.

Увеличение осевой нагрузки до максимальной величины без увеличения механической скорости проходки приводит к преждевременному износу АБИ. По манометру оптимальную осевую нагрузку определяют путем ступенчатого изменения осевой нагрузки при разных частотах вращения АБИ, одновременно фиксируя величину крутящего момента. Оптимальный режим бурения устанавливается после получения максимальной механической скорости проходки при минимальном крутящем моменте. АБИ, оснащенные АТР, АТРМ, АТП, имеют небольшую площадь контакта с забоем, поэтому эффективное разрушение горной породы таким инструментом производится при сравнительно небольших осевых нагрузках (в 3... 5 раз меньше, чем на шарошечный породоразрушающий буровой инструмент).

Значение оптимальной осевой нагрузки следует выбирать в зависимости от проходимых пород, частоты вращения бурового инструмента и расхода бурового раствора. Породы повышенной абразивности рекомендуется разбуривать при частоте вращения АБИ 100...300 об/мин.

Вязкие, липкие, пластичные горные породы для избежания их налипания на породоразрушающие элементы алмазного бурового инструмента рекомендуется бурить при максимально возможном расходе бурового раствора. В буровой раствор рекомендуется вводить маслянистую нефть и другие смазывающие добавки. При резком падении механической скорости бурения (в два раза и более) или прекращении углубления забоя в течение 15...20 мин необходимо приподнять инструмент над забоем и с плавной подачей АБИ начать бурение с минимальной нагрузкой, выбирая ее оптимальную величину. Указанная операция повторяется 2... 3 раза. Если после неоднократного изменения режима бурения скорость углубления не увеличивается, инструмент необходимо поднять для выяснения причин.

В процессе бурения необходимо постоянно следить по манометру за давлением в промывочной системе. При повышении давления АБИ должно быть приподнято над забоем. Если в момент отрыва АБИ от забоя давление быстро снижается, то это указывает на закупорку промывочных каналов АБИ разрушенной породой, образование сальника или износ АБИ на глубину каналов. Для очистки промывочных каналов разрешается резкий спуск бурового инструмента в призабойной зоне, не допуская удара АБИ о забой скважины. Размыв сальника происходит также при установке АБИ в непосредственной близости от забоя и увеличении расхода бурового раствора до максимального значения.

2.5 Керноотборные снаряды для роторного бурения

При роторном способе бурения наиболее широкое распространение имеют колонковые снаряды «Недра» (рис. 3.12). ВНИИБТ разработаны снаряды этой серии в размерах: 203/100, 164/80, 138/67 и 122/52 мм (цифры в числителе обозначают диаметр корпуса сна

Рис. 1 Колонковый снаряд «Недра»: Л 12 -- верхний и нижний переводники; 2 -- кольцо-фиксатор; 3 -- гайка; 4-- винт; 5-- корпус; 6-- муфта; 7 -- штырь; 8-- колонковая труба; 9, 10-- керно-рватели; 11 -- башмак

ряда, в знаменателе -- номинальный диаметр керноприема бурильной головки).

Снаряд состоит из корпуса 5, изготовленного из толстостенных труб, соединяемых специальной замковой резьбой между собой и с переводниками верхним 1 и нижним 12. Внутри корпусов помещена грунтоноска, состоящая из колонковых труб 8, соединяемых муфтами б, снабженными ребрами для центрирования внутри корпусов.

Внизу грунтоноска заканчивается компоновкой кернорвате-лей и башмаком 7, которым она опирается на бурильную головку. Кернорватели -- цанговый 9 и рычажковый 10 -- выполнены плавающими, вследствие чего они при бурении остаются неподвижными относительно керна, в то время как грунтоноска вращается вместе с корпусом и бурильной головкой. Сверху грунтоноска заканчивается винтом 4, присоединенным при помощи одной из муфт 6 к верхней колонковой трубе.

По винту ходит гайка 3, ввинчивающаяся наружной резьбой во внутреннюю резьбу ниппелей корпусов. После того как гайка навинчена, а грунтоноска упрется в бурильную головку, положение грунтоноски фиксируется кольцом-фиксатором 2, штырь /которого, входя в пазы гайки 3 и винта 4, препятствует перемещению винта относительно гайки и, следовательно, корпуса. Таким образом, грунтоноска жестко закрепляется в корпусе, а кернорватель максимально приближается к бурильной головке. Для центрирования снаряда вместо переводников 7 и 72 могут быть установлены переводники-центраторы.

Для осложненных условий бурения предназначены колонковые снаряды серии «Селур» размерами 146/30 и 114/52 мм. Снаряды этой серии имеют одинаковую со снарядами серии «Недра» кер-ноприемную часть (кернорватель, керноприемная труба, регулировочный винт), но корпус уменьшенного диаметра.

Для бурения в трудноотбираемых породах применяют колонковые снаряды серии «Кембрий». Эти снаряды позволяют отбирать керн большего, по сравнению с колонковыми снарядами серий «Недра» и «Селур», диаметра и работают со специальными бурильными головками. Колонковые снаряды «Кембрий» выпускаются в размерах 172/100 и 122/67 мм. Колонковые снаряды «Недра», «Селур» и «Кембрий» имеют несъемные керноприемники.

Работа со снарядом для колонкового бурения имеет ряд специфических особенностей. Перед спуском в скважину снаряд необходимо собрать на поверхности и тщательно осмотреть. Бурильные головки любых типов нужно спускать в скважину по возможности без расширения ствола скважины; при этом следует следить за показаниями индикатора массы (веса). В случае обнаружения затяжек бурильной колонны этот интервал прорабатывают. При спуске инструмента в скважину, не доходя до забоя на 10... 12 м, включают буровые насосы, при роторном бурении вращают бурильную колонну с одновременной плавной подачей ее до забоя, при турбинном бурении включают турбобур и с плавной подачей доходят до забоя.

Снарядом для колонкового бурения бурят без отрыва от забоя, при этом бурильную головку на забой подают равномерно. Проходка за рейс определяется износостойкостью бурильной головки, а для колонковых снарядов с несъемными керноприемниками она не должна превышать полезной длины керноприемной трубы.

Перед отрывом керна от забоя или перед наращиванием при роторном бурении необходимо вращать инструмент до снятия осевой нагрузки на бурильную головку. Отрыв керна от забоя нужно проводить при непрерывной промывке и замедленном подъеме инструмента. Для гарантии отрыва и удержания керна следует подъем и спуск на забой без вращения (с осевой нагрузкой, на 20...30 кН превышающей нагрузку при бурении) провести два-три раза. По окончании бурения с отбором керна рекомендуется сократить до минимума время выравнивания параметров промывочной жидкости перед подъемом инструмента. Чтобы лучше сохранить керн при подъеме инструмента, следует избегать резких ударов бурильных труб. Отвинчивать бурильные трубы ротором запрещается. Режим работы снарядами для колонкового бурения устанавливают исходя из типоразмеров долот, глубины бурения, характера проходимых пород и способа бурения.

2.6 Расчитать потери давления в циркуляционной системе буровой установки вычислить давление на выкиде насосов

Расчитать потери давления в циркуляционной системе буровой установки и вичислить давление на выкиде насосов.

Исходные данные:

-производительность насосов = 5 л/с;

-глубина скважины,L = 1800м;

-диаметр бурильных труб = 141 мм;

-диаметр УБТ = 203 мм, длина = 45 м;

-диаметр стояка = 168 мм;

-диаметр ведущей трубы = 140 мм.

Решение: Потери давления в циркуляционной системе определяем по отдельным элементам. Для решения задачи плотность глинистого раствора возьмем равной 1.2г/,турбобур типа Т12М3-9”, толщину стенки бурильных труб равной 9 мм.

1.Потери давления в бурильных трубах определяем по формуле:

1.1, где - коэффициент,пропорциональный коэффициенту сопротивления(значения всех коэффициентов взяты из таблиц), L- длина колонны бурильных труб, которая определяется как разность между глубиной скважины и длиной УБТ, т.е. L=1800-45-1755 м.

.1

Во всех замковых соединениях при среднем расстоянии между ними 10

Потери давления будут:

2.3 кг/

3. Потери давления в УБТ определяется по формуле:

3.1

3.2 /

4. Потери давления в кольцевом пространстве определяем по формуле:

/

5.Потери давления в обвязке определяем как сумму потери давления в отдельных ее элементах. Для этого необходимо сначала найти коэффициент потерь давления в обвязке:

5,1

Потери давления в обвязке определяем по формуле:

5.2

5.2 /

6. Потери давления в долотных отверстиях определяем по формуле:

6.1

6.2 400*13,2кг/

7. Суммарные потери давления в циркуляционной системе буровой установки определяем как сумму потерь во всех ее элиментах:

7.1

7.2 кг/

Давление на выкиде насосов определяем по формуле:

7.3р = где =64кг/- потери давления в гидравлическом забойном двигателе.

7.4р = 74,67+64 = 138,7кг/

Заключение

В данном курсовом проекте была рассмотрена тема: «Анализ эффективности методов отбора кернового материала при бурении поисковых и разведочных скважин». Были даны ответы на основные вопросы задания. Особенности режима бурения при отборе керна. Методы и технические средства использования при отборе керна. Методы и технические средства являются разными и их выбор зависит от района работ, насколько известен этот район, а также он опыта буровой команды. Критерий оценки эффективности применяемых режимов бурения. Это влияние технико-экономической составляющей на производство буровых работ, скорость проходки или стоимость проходки 1 метра, какой раствор лучше применить при меньших затратах. Отбор керна в осадочных породах. Метод отбора образцов горных пород.Условия подачи бурильного инструмента и погружения долота. Под подачей инструмента понимают его вертикальное перемещение на поверхности, которое осуществляется опусканием ведущей трубы в ротор на некоторую величину в результате ослабления (оттормаживания) тормоза лебедки. Особенности режима бурения алмазными долотами. Керноотборные снаряды для роторного бурения. При роторном способе бурения наиболее широкое распространение имеют колонковые снаряды «Недра», а так же «Селур», «Кембрий».

Таким образом, отбор керна является важнейшим способом узнать состав пород и провести геологическую разведку, для определения состава пород для той или иной ситуации, в которой нам необходимо узнать состав грунта.

Список литературы

1. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению - М.: Недра, 2002.

2. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 2003.

3. Элияшевский А.А. Типовые задачи и расчеты в бурении. М.: Недра, 2000.

4. Ильский А.Л., Шмидт А.П.Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...