Разрушение горных пород при бурении скважин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

 

Кафедра: бурения нефтяных и газовых скважин

 

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «Разрушение горных пород»

«Разрушение горных пород при бурении скважин»

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛ: Студент гр. БГБ-12-02     Хадиев С.Р.

РУКОВОДИТЕЛЬ: доцент, к.х.н.      Тептерева Г.А.

 

 

 

 

 

 

Уфа 2015

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Задание ………………………………………………..……..……………..…..3

2 Оценка однородности  интервала 

2.1 Определение относительного  размаха варьирования ..………..…...........…4

2.2 Построение гистограммы  распределения по ряду а25 …………………….4

2.3 Оценка однородности  методом сравнения средних ..………..……..............5

3 Определение статистических  характеристик показателей механических  свойств горной пород…………………………………….………………….…....7

4 Выбор долот, определение  областей разрушения горной породы  и осевых нагрузок на долото 

4.1 Выбор долот ..………..…….................……………………………………….9

4.2 Определение областей  разрушения горных пород долотами………..…….11

5 Расчет стойкости вооружения  долота 1-го класса . ……………….………..15

6 Расчет гидромониторной  системы промывки долота………………….…..19

7 Основные итоги работы………..……………………………………………..20

Список литературы……………………………………………………………22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель работы: приобретение практических навыков в решении конкретных задач технологии бурения скважин с использованием показателей механических свойств горных пород.

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) обобщение результатов  расчета для заданного интервала  бурения.

 

Исходные данные:

Интервал бурения: 950-1490 м;

Частота вращения долота: nд = 330 об/мин;

Диаметр долота: D = 190,5 мм;

Литология - аргиллиты;

Относительное пластовое давление: p' = 1,12;

Ожидаемые колебания давления в скважине: ±∆p = 1,78 МПа;

Таблица 1 Показатели механические свойств горных пород

рₒ МПа	250	350	410	340	240	340	290	450	500	400	390	550
p ш МПа	430	550	700	540	430	560	340	650	780	560	540	660
C*103 МПа	45	46	59	78	65	56	85	58	61	57	66	59
a21, мм\ч	0,22	0,35	0,21	0,48	0,23	0,45	0,57	0,39	0,32	0,40	0,56	0,46
a25, мм\ч	0,75	0,90	0,68	1,12	0,98	1,23	1,37	1,28	0,98	1,35	1,24	1,25

 

 

2 Проверка крайних значений  вариационных рядов на малую  вероятность и однородности интервала  бурения 

2.1 Подготовка данных к проверке интервала бурения на однородность

      (xmax – xmin)*2

R =   xmax + xmin      

 

           2(550 – 240)

R0Po =    550 + 240        = 0,77 ;

 

              2(780 – 340)

R0Pш =    780 + 340      = 0,78 ;

 

           2(85 – 45)

R0C =      85 + 45     = 0,61 ;

 

               2(0,57 – 0,21)

R0a21 =       0,57 + 0,21   = 0,92 ;

 

              2(1,37 – 0,68)

R0a25 =    1,37 + 0,68      = 0,67

 

где: Хmax и Хmin - максимальное и минимальное значения показателя свойств породы.

Выбираем максимальный размах, т.к. он лучше характеризует однородность горных пород, т.е. выбираем ряд а25.

 

2.2 Построение гистограммы  распределения по ряду а25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1- Гистограмма распределение показателя а25

 

 

2.3 Проверка вариационных рядов на наличие в них маловероятных значений

2.3.1 Оценка однородности  для 1-го ряда

Производим ранжирование

x1 ≤   x2    ≤ x3    ≤   xn-1  ≤ xn

         0,68 0,75   0,9     0,98     0,98

Таблица 2 – Расчет параметров распределения крайних значений 1 –го ряда

Провер. значение	Расчет	Провер. Значение	Расчет	Крите- рий Ккр
xn, xn-1	xn – xn-2   Kв = xn – x1     = 0,26	x1, x2	х3 – x1   Kн = xn – x1     = 0,73	0,845
xn	xn – xn-1   Kв = xn – x2     = 0	x1	х2 – x1   Kн = xn – x2     = 0,3	0,807
xn	xn – xn-1   Kв = xn – x1     = 0	x1	х2 – x1   Kн = xn – x1     = 0,23	0,642

 

Значения критерия Ккр я беру из таблицы 2.2 методички. Сравниваем получившиеся значения Кв и Кн с критериями Ккр и исключаем из ряда значения, если они удовлетворяют условиям: Кв > Ккр и Кн > Ккр. В моем примере все значения не подходят под эти условия, потому я ничего не исключаю.

Находим:

1) среднее арифметическое  значение

 

         1

X =   n * 

 

         0,68 + 0,75 + 0,9 + 0,98 + 0,98

ХI =                          5                           = 0,85;

 

 

2) среднее квадратическое отклонение

 

 

S =

 

 

        

SI = ;

 

 

2.3.2 Оценка однородности  для 2-го ряда

Производим ранжирование:

x1    ≤    x2    ≤    x3    ≤     x4        ≤    xn-2    ≤    xn-1    ≤     xn

        1,12      1,23     1,24      1,25        1,28       1,35         1,37 

 

 

 

Таблица 3 – Расчет параметров распределения крайних значений 2-го ряда

Провер. значение	Расчет	Провер. Значение	Расчет	Крите- рий Ккр
xn, xn-1	xn – xn-2   Kв = xn – x1     = 0,36	x1, x2	х3 – x1   Kн = xn – x1     = 0,48	0,661
xn	xn – xn-1   Kв = xn – x2     = 0,14	x1	х2 – x1   Kн = xn – x2     = 0,78	0,610
xn	xn – xn-1   Kв = xn – x1     = 0,08	x1	х2 – x1   Kн = xn – x1     = 0,44	0,507

 

Во 2-ом ряду исключение из ряда значение xn нет.

Находим:

1) среднее арифметическое  значение

         1

X =   n *  

 

         1,12 + 1,23 + 1,24 + 1,25 + 1,28 + 1,35 + 1,37

ХII =                                   7                                              = 1,26;

 

 

2) среднее квадратическое отклонение

 

S = 

 

 

        

SII = 0,083 ;

 

2.3.3 Оценка однородности  интервала бурения

а) общее среднеквадратического отклонение полученных вариационных рядов S12

 

          

S12 = =   = 0,1 ;

 

 

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

 

 

             ____|x1 – x2|___

t12 =   S12 *         =  7,06;

 

 

в) находим число степеней свободы f = n1 + n2-2 = 5 + 7 – 2 = 10 и из таблицы 2.4 методички выбираем критическое значение t(P,f) распределения Стьюдента: t=2,23.

 

Сравниваем вычисленное значение t12 с критическим:

 

 

t12 > t

7,06 > 2,23

Значит интервал бурения неоднородный, и его выделенные части следует рассматривать отдельно. Последующие расчеты нужно выполнить для той части интервала, толщина которого больше.

 

3 Определение  статических характеристик показателей  механических 

свойств горной породы

 

Для выбранной части интервала бурения проводим обработку всех вариационных рядов, т.е. вычисляем: среднюю арифметическую X, среднеквадратическое отклонение S, нижнюю xн и верхнюю хв границы случайной величины и данные заносим в таблицу 4.

Для Pₒ:

1. XPo = 394,28 МПа;

2. SPo = 85,8 МПа;

3. в случае одной случайной  величины число степеней свободы f=n-1=7-1=6 и тогда параметр Стьюдента (табл. 2.4) t=2,45. Мы имеем:

 

XН1 = x – t * S = 394,28 – 2,45 * 85,8 = 184,07;

 

XВ1 = x + t * S = 394,28 + 2,45 * 85,8 = 604,49;

 

4. в случае 2-х случайных  величин число степеней свободы f=2n-2=14-2=12 и тогда параметр Стьюдента (табл. 3.1) t=1,07 . Мы имеем:

XН2 = x – t * S = 394,28 – 1,07 * 85,8 = 302,47;

XВ2 = x + t * S = 394,28 + 1,07 * 85,8 = 486,08;

 

 

 

Определяем показатель твердости горной породы, измеряемый в условных единицах – категориях(кат).

 

H = 12[1-exp(-0,00487 * Pш 0,666)] = 3,33 кат

 

Таблица 4 – Статистические характеристики показателей механических свойств и пористости горных пород

Обозначения	p0, МПа	pш, МПа	Н,кат	С·10-3, МПа	а21, мм/ч	а25, мм/ч
X	394,28	550	3,33	65,57	0,47	1,26
S	85,8	105,35	_	11,53	0,0707	0,083
XН1	184,07	291,9	_	37,33	—	—
ХВ1	604,49	808,1	4,116	93,81	—	—
ХН2	302,47	437,28	_	53,24	—	—
ХВ2	486,08	662,72	_	77,9	—	—

 

 

4 Выбор долот, определение  областей разрушения горной породы  и осевых нагрузок на долото

4.1 Выбор долот

 

Выбранные долота должны:

 

1) -соответствовать твердости  горных пород;

2) -обеспечивать наиболее  высокую область разрушения горной  породы, что соответствует обеспечению  наибольшей механической скорости  бурения;

3) -вооружение долота первого  класса должно обеспечивать использование  ресурса опоры, т.е. соответствовать  абразивности горной породы.

 

4.2 Предварительный выбор  типа вооружения долот

Для наглядности выбора типа долота строим номограммы (рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)        б)

Рисунок 2 – Номограммы для выбора типов вооружения долот

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

4.3 Выбор типа опор шарошек

Заданная частота вращения долота nд = 330 об/мин. Этой частоте соответствует опора Н (1) для 1-го класса и Н (3) для 2-го класса.

Выбираем долота, тип опор шарошек и систем промывки:

типа МС – для 1-го класса;

типа МЗ – для 2-го класса;

тип опор Н (1) для 1-го класса; Н (3) для 2-го класса (по частоте вращения долот nд = 330 об/мин);

промывка гидромониторная Г.

Записываем полный шифр выбранных долот обоих классов:

190,5МС-ГН(131);    190,5МЗ-ГН(513).

 

4.2 Расчет характеристики долот и горной породы

4.2.1 Приведение предела текучести ГП к забойным условиям

Poз = ky * P0 =1,546*394,28 = 609,55 МПа ;

Kу = 1 + ау * () = 1,546

ay = 0,071* exp(-0,00084*394,28)= 0,05

Pс.д. = p1*g*z+∆p = 1,176*9,81*1490*1,78 = 30,597 МПа

P1 = k* p′ = 1,05*1,12 = 1,176 т.е. плотность бур. раст-ра 1176 кг/м3

где: коэффициент k = 1,05;

 

Py = pс.д.-p = 30,597 – 16,36 =14,237

где

p = p′*pв = 1,12*14,61 = 16,36

Здесь pв – давление столба воды на той же глубине z:

Pв = pв*g*z = 14,616900

где pв=1000 кг/м3 – плотность воды;

 

Poзв1 = ky * P0в1 =1,546*604,49 = 934,54 Мпа

Poзв2 = ky * P0в2 =1,546*486,08 = 751,47 МПа

где:

 ∆p - гидродинамическое давление (или ожидаемые колебания

давления в скважине) 1,78 МПа;

p′- пластовое давление = 1,12;

1490 м – максимальная глубина бурения;

 

 

4.2.2 Расчет нагрузки Gs, нужной для достижения предела текучести г.п.

а) для долота 1-го класса

 

Gs = Pозв1*b0*v*() = 934,54 *1,75*0,3*116=56,913 кН;

 

Где: b0 = 1,75 - начальное притупление зубьев (таблица 4.3 методички);

v=0,3- доля одновременно работающего вооружения;

=116 мм – сумма длин зубьев (таблица 4.3 методички).

 

Gн.к. = Gкп′ * Gs/Кд       где Кд = 1,3

Рассчитываем нагрузки G по областям разрушения и заполняем таблицу 5:

1) Износ зубьев:  h=hз*h0, где hз = 10,5 мм – высота зубьев

при  h=0 ,    h = hз*h0 = 0 мм

h=0,25 ,   h = hз*h0 =10,5 * 0,25 = 2,62 мм

  h=0,5 ,   h = hз*h0 =10,5 * 0,5 = 5,25 мм

h=0,75 ,   h = hз*h0 =10,5 * 0,75 = 7,875 мм