Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

А.В. Нізовцев

Л.М. Смірнова

А.М. Мангура

МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНО-ДОСЛІДНИЦЬКИХ РОБІТ

ІЗ ТЕХНОЛОГІЇ БУРІННЯ НАФТОВИХ І ГАЗОВИХ СВЕРДЛОВИН

Навчальний посібник

для студентів спеціалізації «Нафтогазова справа» спеціальності 6.050304 «Видобування нафти і газу» всіх форм навчання

Полтава 2011

УДК 378.147:622

ББК Ч481.268*622

Рецензенти:

В.І. Коваленко, кандидат технічних наук, доцент кафедри видобування нафти і газу та геотехніки;

С.В. Біда, кандидат технічних наук, доцент кафедри видобування нафти і газу та геотехніки.

Рекомендовано до друку науково-методичною радою Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Протокол №

від « »_________2011 року

Нізовцев А.В., Смірнова Л.М., Мангура А.М.

Методика виконання лабораторно-дослідницьких робіт із технології буріння нафтових і газових свердловин: навчальний посібник. – Полтава: ПолтНТУ, 2010. – 54 с.

Навчальний посібник «Методика виконання лабораторно-дослідницьких робіт із технології буріння нафтових і газових свердловин» призначений для студентів нафтогазових спеціальностей. У посібнику розглянуто методику проведення досліджень процесу будівництва свердловин і представлено типові алгоритми розв’язання фахових проблем. У вступі до кожної лабораторної роботи представлено теоретичні відомості з теми дослідження й описано теоретичні передумови технологічних розрахунків та проектування свердловин на основі здійснюваних процесів.

Код 60.20.08.01 © А.В. Нізовцев, Л.М. Смірнова, А.М. Мангура, 2011

ЗМІСТ

Вступ…………………………………………………………...………….......4

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 «ДОСЛІДЖЕННЯ ПОКАЗНИКІВ

ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРОМИВНОЇ РІДИНИ»……………………………...9

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 «ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРОМИВНОЇ РІДИНИ»......…….………...………...13

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 «ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРОМИВНОЇ РІДИНИ»…….………………….......17

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 «ДОСЛІДЖЕННЯ РЕОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ПРОМИВНОЇ РІДИНИ»………………............................21

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5 «ДОСЛІДЖЕННЯ СТАБІЛЬНОСТІ ПРОМИВАЛЬНОЇ РІДИНИ»……………….……………………………...26

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6 «ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПРИГОТУВАННЯ ЦЕМЕНТНОГО РОЗЧИНУ ТА ВИМІРЮВАННЯ ЙОГО РОЗТІЧНОСТІ»……………………......……………………….........30

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7 «ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСУ ТУЖАВІННЯ ЦЕМЕНТНОГО РОЗЧИНУ»…………….…………………………………33

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8 «ДОСЛІДЖЕННЯ СТРОКУ СХОПЛЕННЯ ТАМПОНАЖНОГО РОЗЧИНУ»..……...........................36

Правила техніки безпеки та протипожежні заходи..............................39

Додатки…………………..…………………………………………………41

Література………………………………………...……………………......53

ВСТУП

Справжні дослідники і фахівці своєї справи перед тим як розпочати підготовку до експериментального дослідження висувають те чи інше припущення. Висунення передбачення або робочої гіпотези характеризує таким чином, перший етап експериментального дослідження. Сформульована й обґрунтована гіпотеза вимагає від дослідника планувати майбутній експеримент, вибирати, пропонувати методи експериментування, за допомогою якого можливо перевірити робочу гіпотезу. Тому метод дослідження є вторинним, опосередкованим, обґрунтованою гіпотезою, що в подальшому формує план експериментального дослідження другої частини дослідницької роботи. Саме проведення експерименту може проводитись неодноразово до моменту підтвердження, спростування чи коригування робочої гіпотези. Безпосереднє проведення експериментальної роботи є третьою частиною дослідження. За результатами експериментальної роботи необхідно зібрати фактично отримані дані та опрацювати їх. При цьому потрібно враховувати, що опрацювання експериментальних даних не лише підтверджує робочу гіпотезу, але й може дати певні кількісні чи якісні залежності, що стануть основою майбутніх нових досліджень.

Обов’язковою умовою завершення обробки експериментальних даних та й усього дослідження вважається формулювання висновків і рекомендацій. Тому четвертим етапом дослідження є обробка експериментальних даних і отримання з них певних висновків. Поряд із достовірними, підтвердженими на практиці висновками, на останньому етапі дослідження формулюються ймовірнісні висновки, що є підставою нових робочих гіпотез. Це, у свою чергу, вимагає знову проходження чотирьох етапів дослідження.

Таким чином, дослідницький метод навчання, як і процес наукового дослідження, складається з чотирьох етапів (частин): а) формулювання робочої гіпотези; б) вибір і планування методу експериментальної перевірки; в) проведення експериментальної роботи; г) обробка експериментальних даних.

Зауважимо, що безпосередньо експеримент (власне його проведення) справді знаходить своє істинне відображення у розумінні й адекватному сприйнятті студентами лише за умови узгодження експериментальних дій з іншими частинами (етапами) дослідницького методу, їх підготовчої роботи, починаючи зі стадії висунення робочої гіпотези. А виконання експериментальної роботи не буде міцно закріплене, якщо не зроблені відповідні висновки за результатами дослідницьких дій студентами. Описаний шлях дослідницького методу навчання є дедуктивним, де від теорії, загальних тверджень дослідник переходить до експериментального підтвердження висунутих ідей практикою. У вищій школі можливий індуктивний шлях дослідницького методу навчання коли студенти, беручи участь у серії однотипних експериментів, висувають припущення, яке обґрунтовується на теоретичному рівні з використанням законів і відомих концепцій.

Формулювання робочої гіпотези проходить шлях від наявних знань студентів до тих, що потрібно вивчити. Напрямок думок студентів повинен бути зосереджений на проблемі дослідження з метою виявлення кола принципових питань майбутнього дослідження. Тому робоча гіпотеза є природним засобом науковця розв’язання сумнівів і суперечностей, що виникли за результатами пізнавального конфлікту «знання про незнання».

Процес формування робочої гіпотези має зосереджуватися на найбільш імовірнісній версії, ідеї пояснення проблеми дослідження за рахунок саме обґрунтованого передбачення (гіпотези), що привчає студентів до самоконтролю своїх дій та усвідомленості процесу дослідження. Висунення гіпотези супроводжується логічними операціями на першому місці з яких стоїть аналіз (розподіл на частини й виявлення їх сутності). У подальшому проводиться синтез складання частин і визначення механізму їх взаємодії. Наступне узагальнення, класифікація та систематизація забезпечують системний розвиток логічного мислення.

Формування під час дослідження студентами хибної гіпотези має супроводжуватися не однозначним її запереченням з боку викладача, а підтримкою і розвитком у своєї основи фабули співбесіди та дискусії, яка має привести до самостійного відхилення запропонованої студентом ідеї. Такий факт певним чином полегшує побудову самої робочої гіпотези на основі опрацьованих тверджень.

Варто пам’ятати, що в основу робочої гіпотези закладається сукупність проведених експериментальних досліджень студентами, теоретичних знань і особистого досвіду. Висунення гіпотези студентом має обов’язково супроводжуватися теоретичним поясненням на підставі здобутих знань. Теоретичне обґрунтування робочої гіпотези є моментом переходу до другого етапу дослідницької діяльності вибору методу експериментальної роботи. Спочатку студент концентрується на виборі способу отримання явища, котре належить дослідити, потім – на виборі способу його спостереження. Умова природного переходу від формування гіпотези до вибору методу її перевірки зосереджує та мобілізує увагу студентів.

Важливо під час проектування методу дослідницької роботи залучити студентів до використання старих методів із новою метою або застосувати комбінації кількох відомих методів. Це вимагає від студентів зосередженості, пізнавальної допитливості, творчої уяви. Якщо під час формулювання гіпотези у студентів розвивається логічне мислення, то під час планування методу експериментальної роботи студенти вчаться винаходити та конструювати. Після етапу проектування експериментальної роботи переходять до монтажу дослідної установки і безпосереднього експериментування.

Процес виконання дослідницьких дій пов’язаний з низкою умов: 1) простим повторенням дослідів у незмінних умовах; 2) визначенням адекватності їх результатів, відповідності до завдань дослідження й очікуваних результатів; 3) зміною умов експериментування залежно від визначених характеристик для встановлення динаміки дослідних даних. Кількість проведених дослідів переважно рекомендує викладач, але може запропонувати і студент, якщо у нього є власне обґрунтування. Проведення експериментів повинно відповідати дидактичній умові забезпеченості найкращої наочності застосованих засобів експериментування. Лише ця умова дає можливість студентам усвідомити результати і процес дослідження та зробити правильні висновки. Дослідна робота завжди має супроводжуватись не лише отриманням результатів, а й таким головним чинником, як фіксація умов отримання прогнозованих даних.

На останньому етапі дослідження – обробка експериментальних даних – викладач зосереджує увагу студентів на кількісних і якісних характеристиках, одержаних у процесі проведення дослідів, групуванні даних, їх інтерпретації та поясненні. Це краще робити, маючи робочу гіпотезу й порівнюючи отримані дані з прогнозами експериментальної роботи. Експериментальні дані студентам потрібно опрацювати шляхом їх порівняння, звернення уваги на умови їх одержання, обрахунків. Аналіз причин неправильного формулювання неточних висновків свідчить: основна їх сутність – у неусвідомленості та нерозумінні принципових теоретичних положень проблеми дослідження, поспішність і необдуманість дій. Але помилковість висновків студентів має низку переваг, якщо вони вчасно усунуті: а) отримання міцніших та усвідомлених знань; б) окремі успіхи у формулюванні висновків студентів надають їм упевненості й переконують у необхідності експериментальної, практичної перевірки висунутих гіпотез; в) ефективність здобуття знань експериментально-практичним шляхом; г) уточнення запропонованих висновків студентів, навчає адекватно формулювати висновки і дає можливість переформатувати здобуті знання, котрі не будуть для дослідника несподіваними або невиправданими; д) розвиває логічне мислення, створює можливість для залучення студентів до обговорення запропонованих формулювань, що у майбутньому дає змогу запобігати можливим помилкам у розумінні матеріалу та логічній інтерпретації результатів.

Кожного разу під час формулювання висновків викладачеві слід звертати увагу на обставини, що безпосередньо не стосуються робочої гіпотези, але можуть бути підставами для змістовних висновків проведеного дослідження. Під час опрацювання експериментальних даних варто враховувати суттєву обставину відсутності безпосереднього зв’язку проведених дослідів із висновками, котрі необхідно зробити; їх сутність може бути значно опосередкована або така що підтверджує лише один постулат висунутої гіпотези. Значний вплив на адекватність остаточних висновків має наперед продумана стратегія опрацювання експериментальних даних, доступність запропонованого варіанта, переліку контрольних питань. Питання викладача повинні мати евристичний характер, наштовхувати на траєкторію пошуку відповіді, а не пропонувати готовий варіант чи декілька простих варіантів. І головне, обов’язкове отримання висновків не за темою чи метою дослідження, а за результатом – необхідна умова закінчення лабораторної роботи.

Застосування інструкції на лабораторних заняттях передбачає попереднє ознайомлення з нею на практичних заняттях та визначення переліку питань для самостійного опрацювання. Виконання першої роботи за інструкцією зазвичай пов’язане зі складністю первинного сприйняття структури діяльності й усвідомлення її сутності. Серед причин можна відмітити: 1) первинна дезорганізованість; 2) неуважне читання інструкції, як наслідок – переважна більшість несуттєвих питань до викладача за наявності відповіді в інструкції; 3) наявність інструкції не спонукає студентів до безпосередніх дослідницьких дій, вони чекають на додаткові розпорядження; 4) значна увага до інструкції у дрібницях та пошуку відповідей і рекомендацій до всіх питань, що можуть виникнути аж до конкретних значень даних, котрі потрібно отримати; 5) формальне виконання, непроведення робіт у послідовності, зазначеній в інструкції, переважно робота починається із середини експериментального завдання, або близько до його завершення. За умови однотипних інструкцій (за структурою) студенти у подальшому краще орієнтуються у процесі дослідницької діяльності проявляючи більше самостійності й активності. З іншого боку, виконання дослідницьких робіт за інструкцією підвищує ступінь самостійності та ініціативи студентів.

Форма звіту з лабораторно-дослідницьких робіт повинна у загальних рисах відповідати схемі експериментального методу дослідження. Методична цінність звітів у тому, що студенти не лише усвідомлюють порядок виконання роботи, але і глибше проникають у сутність та структуру наукового дослідження. Звіт має містити: 1) тему і мету діяльності; 2) гіпотезу та завдання дослідження; 3) перелік обладнання, матеріалів й інструментів зі схемою лабораторної установки; 4) технологію виконання дослідницьких дій, порядок виконання роботи (метод); 5) результати досліджень; 6) обробку результатів зі схематичним та графічним (табличним) їх представленням; 7) висновки. Ми пропонуємо узагальнений план експериментальної лабораторної роботи на основі вивченого досвіду: 1) сформулювати самостійно за погодженням із викладачем мету й завдання експериментальної роботи; 2) висунути гіпотезу, яку можна покласти в основу змісту експериментальної роботи; 3) розробити схему – модель виконання експерименту; 4) встановити оптимальні способи фіксації (кодування) інформації за результатами експериментальної роботи; 5) визначити засоби експериментальної роботи; 6) зібрати й перевірити експериментальну установку; 7) виконати експеримент відповідно до прогнозованого плану (моделі), супроводжуючи роботу кодуванням результатів; 8) здійснити аналіз отриманих даних, виконати необхідні обчислення; 9) сформулювати висновки й запропонувати рекомендації, підготовити звіт.

Методика дослідницької роботи передбачає необхідність усвідомлення студентами низки положень: 1) звіт за результатами роботи повинен бути зрозумілий іншим особам, тому його оформлення має відповідати прийнятим критеріям; 2) перед тим як організовувати і проводити дослід, його потрібно продумати і спроектувати відповідно до визначеної гіпотези; 3) мета кожного досліду – перевірка істинності чи помилковості висунутого твердження (гіпотези); 4) проектування досліду має ґрунтуватись на відомих чи наперед вивчених студентами теоретичних положеннях та наявному дослідницькому обладнанні. Під час виконання лабораторно-дослідницьких робіт необхідно продемонструвати студентам, що між процесом формування робочої гіпотези й проведенням експериментів лежить низка копітких і складних організаційно-підготовчих робіт. Мета кожного експерименту (досліду) – перевірка передбачення, а не звичайне спостереження чогось цікавого. Тому кожного разу слід звертати увагу на умови проведення досліду.

Проведення досліду зводиться до прийомів: керування приладами, пристроями, всією установкою в цілому; спостереження явища і фіксації своїх спостережень. Під час виконання запланованого досліду потрібно, щоб студенти відчули, що: 1) не завжди можливо зафіксувати точно й правильно спостереження з першого разу; 2) можливі помилки у показах приладів.

Лабораторна робота №1 дослідження показників властивостей промивної рідини

1. Об’єкт дослідження: промивна рідина з різних свердловин.

2. Предмет дослідження: характеристики промивної рідини:

2.1. Умовна в’язкість.

2.2. Густина промивної рідини.

2.3. Уміст абразивних часток у промивній рідині.

2.4. Об’ємна концентрація глини в рідині.

3. Гіпотези: із підвищенням температури в’язкість і густина зменшуються; зі зростанням тиску в’язкість і густина зростають; уміст абразивних часток і об’ємна концентрація глини залежать від виду розбуреної породи.

4. Завдання дослідження

4.1. Вивчити методику вимірювання основних параметрів промивних рідин.

4.2. Оцінити технологічні властивості необробленого глинистого розчину.

4.3. Вивчити вплив хімічної обробки на властивості глинистого розчину.

5. Прилади і матеріали

5.1. Готова промивна рідина.

5.2. Фарфорові кухлі місткістю 700 мл.

5.3. Електромішалки.

5.4. Скляні градуйовані циліндри.

5.5. Ареометр АГЗ-ГШ.

5.6. Віскозиметр польовий ВБР-2.

5.7. Відстійник.

5.8. Ваги технічні з важками.

5.9. Лінійка.

5.10. Мікрокалькулятор.

5.11. Секундомір.

5 .12. Журнал обліку вимірів.

Віскозиметр польовий ВБР-2 Електромішалка Аерометр

6. Основні теоретичні відомості.

Більшість властивостей бурового розчину контролюються кількісно, заміряються приладами. Кількісне значення якісних властивостей бурового розчину, показники якості його називаються його параметрами. Найбільш важливі наступні параметри:

Густина бурового розчину

Густина бурового розчину – це маса одиниці об’єму бурового розчину. За рахунок відповідної густини розчину запобігають надходженням пластових флюїдів у свердловину, зменшується руйнування стінок свердловини, частинки породи краще утримуються в буровому розчині й не випадають у свердловині. Густина розчину нормується діючими правилами. Гідростатичний тиск стовпа бурового розчину повинен переважати пластовий тиск на 10 – 15 % для глибин до 1200 м, але не більше ніж на 1,5 МПа, для глибин до 2500 м – відповідно 5 – 10 % і

2,5 МПа, а для більших глибин – 4 – 7 %, але не більше ніж 3,5 МПа.

Розрізняють позірну (уявну) густину та істинну. В буровому розчині наявна певна кількість повітря або газу. Повітря зменшує густину розчину. Густина розчину без повітря є істинною. Зв’язок між позірною та істинною густиною бурового розчину такий:

,

де с_г – позірна густина розчину; v – уміст газу в розчині в %.

Густина бурового розчину заміряється ареометрами АГ-1, АГ-3ПП та важільними вагами. Одиницею вимірювання є кілограми на кубічний метр або грам на кубічний сантиметр. Відхилення фактичної густини бурового розчину від заданої не повинно перевищувати ± 20 кг/м³.

Умовна в’язкість

Умовна в’язкість характеризує опір бурового розчину його прокачуванню. Заміряється лійкою Марша (віскозиметр ВБР-1) у секундах витікання 500 см³ бурового розчину із лійки, в яку налито 700 см³ розчину. Вода із лійки повинна витікати за 15 с.

Оптимальна величина в’язкості залежить від конкретних умов буріння. З точки зору затрат енергії на промивку, якості очищення розчину від вибуреної породи та газу потрібні розчини з мінімальною в’язкістю, а для поліпшення виносу шламу із свердловини, утримання шламу в завислому стані потрібні розчини більш високої в’язкості. В той же час при високій в’язкості можуть швидше руйнуватися стінки свердловини.

Необхідним елементом процесу буріння є циркуляція промивної рідини. Вона очищає вибій свердловини, виносить уламки вибуреної породи, охолоджує долото, створює протитиск на продуктивний пласт і стінки свердловини, утворює на стінках фільтраційну кірку, втримує уламки породи в завислому стані при зупиненні насосів, виконує ряд інших функцій. Щоб успішно виконувати ці функції та забезпечувати буріння свердловин без ускладнень, промивна рідина повинна мати певні фільтраційні, реологічні, структурні властивості й густину. Найбільш поширений тип промивної рідини – глинистий розчин на водяній основі.

Віскозиметр ВБР-2.

ВБР-2 необхідний для визначення умовної в’язкості бурових розчинів, що використовуються при бурінні нафтових та газових свердловин і різних свердловин іншого призначення.

Ареометр

Необхідний для вимірювання густини бурових або різних інших розчинів, а також рідин і пульп нейтральних до поліетилену.

Технічні характеристики:

Діапазон зміни густини, г/см³, – з каліброваним навантаженням 0,8…2,6.

Діапазон зміни густини, г/см³, – без навантаження 1,7…2,6.

Ціна поділки шкали аерометра (основної та поправочної), г/см³, – 0,01.

Місткість стакану аерометра, см, – 78,5 – 0,3.

Гранична похибка при температурі досліджуваного розчину, навколишнього середовища та води 20 – 2 °С, г/см³, – 0,01.