3. Физико-механические свойства горных пород

Горные породы классифицируются по разным признакам. По происхождению они -делятся на: магматические или изверженные; (глубинные и излившиеся); осадочные (механические или обломочные, хемогенные, органогенные); метаморфические, образовавшиеся из магматических и осадочных пород на больших глубинах под действием высоких давлений и температур.. Для бурения важны физико-механические свойства горных пород, которые определяют сопротивляемость породы разрушению, а, следовательно, производительность и затраты. Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. Из всего разнообразия физических свойств пород прямо или косвенно влияют на процесс бурения следующие: минеральный состав, степень связности, пористость, плотность, удельный вес, структура, текстура, зернистость.

Механические свойства горных пород являются внешним проявлением физических и выражаются в способности оказывать сопротивление деформированию и разрушению. К ним относятся:прочность,крепость,динамическаяпрочность,твердость,упругость,хрупкость,пластичность, абразивность и др. В целом,

изверженные породы наиболее прочные, за ними следуют метаморфические, потом осадочные, хотя и здесь не без исключений. На прочность пород оказывает существенное влияние степень их выветривания. Есть гранит, а есть выветренный

гранит, прочность второго намного ниже.

Изучение физико-механических свойств горных пород необходимо:

1. для выбора способа бурения и наиболее производительных типов породоразрушающих инструментов;

2. для разработки рациональной технологии бурения и крепления стенок скважины;

Классификация горных пород по буримости для вращательного механического бурения скважин

Интервал	Название породы	Категория твердости	Категория абразивности	Тип долота	Категория буримости
0-180	Пески супеси глины	до 50	I-II	МЗ	II
180-380	Глины алевролиты диатомиты	250-500	III-IV	МСЗ	II
380-585	Глины пески алевролиты	250-500	II	МСЗ	III
585-825	Глины песчаник	100-250	II	МС	III
825-1025	Глины алевролиты	250-500	II-III	МСЗ	III
1025-1230	Глины опоки	100-250	II	МС	IV
1230-1475	Глины	до 100	I	М	I
1475-1715	Глины алевролиты	250-500	II-III	МСЗ	III
1715-1925	Глины	до 100	I	М	I
1925-2185	Глины опоки	100-250	II	МС	IV
2185-2400	Песчаник алевролиты	250-500	II-III	МС	III
2400-2660	Глины алевролиты	250-500	II-III	МСЗ	III
2660-2920	Глины	100-250	I	М	I
2920-3100	Песчаник с прослойкой глины	250-500	II	МС	IV

Определение:

1. Конструкция скважины

2.От каких факторов зависит конструкция скважины

3. По данным градиентов давления и гидроразрыва строим совместный график

4. По полученному графику выбираем интервалы совместимости разбуривания, который одновременно является зонами цементирования.

По количеству интервалов цементирования определяем количество обсадных колонн, глубину спуска, плотность бурового раствора. В результате получаем одноколонную конструкцию скважины, где направление устанавливается кондуктором от 50 до 600 м, направляющая от 0 до 100 м, эксплуатационная колонна от 0 до 1320м.

Определить диаметр долот и обсадных колонн

D_{дол. под экс. колонну} ^- D_колонн 2∆

∆ = 15мм

D = 114 + 2*15 = 144 мм

Принимаем диаметр долота под экс. колонну по таблице = 118 мм 118= D_внутр.+ 2∆

∆ = 5÷10мм

D_внутр. ⁼ 158 + 20 = 178 мм

D_{конд.наруж}⁼ 178 мм

178-14=168 мм (внутренний диаметр по табл.)

7-толщина стенки

Интервал	Обсадная колонна	Диаметр колонны	Диаметр долота
0-100	Направление	219	222,3
0-600	Кондуктор	178	187,3
0-3100	Эксплуатационная колонна	114	118

Осевая нагрузка на долото

Pg=α*ρ_ш* F_K

F_к=(D/2)*η*δ

Pg – осевая нагрузка на долота

α – эмпирический коэффициент, учитывающий влияние забойных условий на изменение твердости (α=0,3÷1,59)

F_{K –} площадь контакта зубьев долота с забоем

D – диаметр долота

η – коэффициент перекрытия

δ – притупление зубьев

1. Интервал направления :

F_к= 222,3/2*1,5*0,9=150,05

Pg=1,59*50*150,05=1192,2=11т.с.

2. Интервал кондуктора :

F_к=187,3/2*2*0.99=185,4

Pg=1,59*250*185,4=73707,23=73т.с.

3. Интервал под эксплуатационную колонну :

F_к=118/2*1*1,05=61,95

Pg=1,59*500*61,95=49250,25=49т.с.

Частота вращения

n=

Частота вращения для направления :

n=(60*0,8)/(3,14*222,3)=68,5мин^-1

Частота вращения для кондуктора :

n=(60*1)/(3,14*187,3)=102,4мин^-1

Частота вращения для эксплуатационной колонны :

n=(60*1)/(3,14*118)=162,1мин^-1

n – скорость вращения бурильной колонны

Расход бурового раствора по интервалам

Q = 0,07 • F_з (л / с)

= (π* )/4 (см)

Q – расход промывочной жидкости

D – диаметр долота

F_з – площадь забоя

Расход бурового раствора для направления :

Q = 0,07*387,9= 27,1 л/с

F_з=(3,14*222,3²)/4=387,9

Расход бурового раствора для кондуктора :

Q = 0,07*175,3 = 19,2 л/с

F_з=(3,14*187,3²)/4=175,3

Расход бурового раствора для эксплуатационной колонны :

Q =0,07*109,3 = 7,65 л/с

F_з=(3,14*118)/4=109,3

Выбор диаметра бурильных труб

Бурильные трубы

СБТ(0,6 или 0,7) * D_д

УБТ (0,75 или 0,85) * D_д

Принимаем диаметр бурильных труб под эксплуатационную колонну :

0,7 5*118 = 88,5 мм

88,5 мм наружный диаметр, толщина стенки 7 мм

Принимаем диаметр УБТ 88,5 мм; внутренний диаметр 22 мм; вес 1 м = 21,6 кг.

Для роторного бурения находим условия бурильных труб :

1₀= /(0,9 *(1- /Y)

l₀=49000/(0,9*21,6*(1-1,5/7,85))=3115,9

Где - осевая нагрузка на долото

- вес 1 м труб нижней части колонны

, Y – плотность промывочной жидкости и материала нижней части колонны

Принимаем часть УБТ:

Материал бурильных труб стали 7,85 г/см³

Для бурения данного интервала достаточно 98м УБТ

Проверяем верхнюю часть колонны :

б- полное нормальное напряжение растяжения

- напряжение кручения

[б] – допускаемое напряжение растяжения материала труб

[б]= /K K= /[б]

Напряжение кручения:

Ʈ=M_кр/W_кр

М_кр= 71620*(N/n)kg

k_g-коэффициент динамичности, 1,5-2

n -скорость вращения бурильной колонны

М_кр = 71620*(170,2/162,1)*1,5=116774кг*м

W_кр=π(d_н⁴ – d_в⁴)/16d_н

d_н - наружный диаметр бурильных труб

d_в- внутренний диаметр бурильных труб

W_кр=3,14(8,9⁴-7,5⁴)/(16*8,9)=543,2

Ʈ_кр= М_кр / W_кр

L₁ = L-z₁

L_x = 3100 - 98 = 3002 м

Ʈ_кр=116774,6/543,2=214,9кг/см²

+4 ≤[б]= =1954,12

K= /[б]=3800/1954,12=1,9

В результате расчетов коэффициентов безопасности для нормальной работы составил …,что является достаточным для заданных условий.

Гидравлический расчет промывки скважины Номер долота 11

Р =Ртр + Рк.п. + Рз+ Рд+Рн.л.

Где p- общий напор на выходной линии бурового насоса (или сумма гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе)

- гидравлические потери в колонне бурильных труб

- гидравлические потери в кольцевом пространстве

- потери в замковых соединениях

- потери в долоте

- потери в напорной линии

- потери в забойной двигателе ( в случае его применения)

Ртр = α_тр*у*Q²*L = 420 *10^-8*1,9*7,65² * 3002 =65,4 бар

y- плотность промывочной жидкости г/

Q- расход жидкости л/с

L- длина колонны бурильных труб в м.

Р₃= α₃*у*Q² = 8*10^-5*1,9*16² = 0,24бар

Pк.п. = α_к._п.y*Q^2* L = 68*10^-8*1,9 * 7,65² • 3002 = 1,05 бар

= а_д * у * Q² = 480 * 10^-5 * 1,9 * 7,65² = 3,31 бар

Рн.л= а_н._л. * У * Q² = 0,034 *1,9 * 7,65² = 3,78бар

= + + =0,034

а

Гидравлические потери :

р= 65,4 + 0,24 + 1,05 + 3,31 + 3,78 = 72,88бар

Выбираем промывочную жидкость и её состав

Принимаем для бурения под эксплуатационную колонну тип промывочной жидкости утяжеленный глинистый раствор следующего состава:

30-50% мела, известняка;

Растворы обрабатываются понизителями вязкости: 5÷8% УЩР; 2÷4% окзила; 2÷3% ПФЛХ; 2÷3% ФХЛС

Параметры:

ρ = 1,4÷1,6 г/см³

Т = 22÷45с

В = 6÷8 см³

_РН = 7÷8

Расчет количества глины и воды Требуемый объем глины :

V_r=(p_p-p_в)/(p_г-p_в)=(1,6-1)/(2,4-1)=0,43м³

Требуемое количество жидкости :

m_r = V_r*р_r = 0,43*2,4 = 1,03т

Требуемый объем :

V_B = 1-V_r=1 -0,43 = 0,57 м³

Масса воды :

m_B = V_B*р_в= 0,57*1 = 0,57т

Расчет цементирования :

V_ц = π/4*[K₁-(D² – d₁²)*H_ц + d₂²h] = 3,14/4*[ 1,5*(0,11² – 0,08²) *3100 + 0,07² -20] = 5,11м³

K₁ – коэффициент, учитывающий увеличение объема цементного раствора, расходуемого на заполнение каверн, трещин, и увеличение диаметра скважины против расчетного

V_ц – объем цементного раствора, подлежащего закачке в скважину

H_ц – высота подъема цементного раствора

D – диаметр долота

d₁ – наружный диаметр обсадных труб

d₂ – внутренний диаметр обсадных труб

h – высота установки «стоп» кольца

1. G_ц=V_ц*р_ц*(1/(1+м))=5,11*1,8*(1/(1+0,5))=6,13т

G_ц – количество сухого цемента

м – водоцементное отношение =0,5

2. G_ц'= K₂ G_ц = 1,15* = 7,05 т

К –коэффициент, учитывающий наземные потери при затворении цементного раствора = 1,05÷1,15

G_ц^’ - количество сухого цемента, которое необходимо заготовить с учетом потерь при затворении цементного раствора

3. V_B= m*G_ц' = 0,5*7,05 = 3,53 т

V_в – необходимое количество воды для приготовления … цементного раствора 50% конститенции

4. V_пр=∆*(πd₂²/4)*(H-h)+V=1,05*(3,14*0,07²/4)*(3100-20)+0,8=38м³

V_пр – потребное количество продавочного раствора

Вес бурильных труб : Масса 1 м = 22 кг

22*3100 = 68200 кг