Файл: В. Д. Евсеев Председатель учебнометодической комиссии.pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИГНД
А.К. Мазуров
« » 2010 г.
БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Бурение нефтяных и газовых скважин для студентов, обучающихся по направлению 130500 Нефтегазовое дело специальности 130503 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений Издательство Томского политехнического университета
2010

2
УДК 553.98
Нечаева Л.Н., Строкова Л.А. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Бурение нефтяных и газовых скважин для студентов, обучающихся по направлению 130500 Нефтегазовое дело специальности 130503 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений /
Нечаева Л.Н., Строкова Л.А. – Томск Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 48 с. Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры бурения скважин
« 10 » ноября 2009 г. Завкафедрой БС доктор технических наук
__________В.Д.Евсеев Председатель учебно-методической комиссии
__________Н.Г. Квеско
© Нечаева Л.Н., Строкова Л.А., 2010 Томский политехнический университет, 2010
© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2010

3 Содержание Работа 1. Изучение физико-механических свойств горных пород ............................................ 5 Работа 2. Породоразрушающий инструмент для бурения скважин .......................................... 8 Работа 3. Изучение забойных буровых двигателей. 15 Работа 4. Проектирование скважины ......................................................................................... 21 Работа 5. Определение основных свойств тампонажного раствора ........................................ 25 ВВЕДЕНИЕ Лабораторные работы курса Бурение нефтяных и газовых скважин выполняются на основе существующих стандартов, норм и правил, методических указаний, в соответствии с Государственным образовательным стандартом. В результате выполнения лабораторных работ студенты закрепляют теоретические знания и приобретают практические навыки в области бурения скважин на нефть и газ. ПРАВИЛА ОХРАНЫ ТРУДА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Правила предназначены для студентов, выполняющих лабораторные работы. Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ только после прохождения инструктажа по охране труда на рабочих местах лаборатории. Запись о проведении инструктажа производится в журнале с обязательной подписью студентов и преподавателя, проводившего инструктаж. Студент должен знать о расположении в лаборатории средств пожаротушения, распределительного электрощита, мест включения (отключения) вентиляции и электрооборудования, медицинской аптечки и средств индивидуальной защиты. Студенты несут ответственность за нарушение правил охраны труда. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДО НАЧАЛА РАБОТЫ К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, предварительно подготовленные к работе и ознакомленные с ее содержанием. До начала работы необходимо убрать с рабочего места посторонние предметы и неиспользуемые в работе приборы и реактивы. Проверить свободу доступа к распределительному щиту, средствам пожаротушения, наличие и исправность индивидуальных средств защиты. Не загромождать рабочее место ненужными предметами (сумками, папками, пакетами. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОВРЕМЯ РАБОТЫ Выполнять следует только ту работу, которая предусмотрена заданием преподавателя. Вовремя выполнения работы необходимо соблюдать следующие основные правила.
1. Любые работы в лаборатории следует выполнять точно, аккуратно.
2. Не оставлять без присмотра работающие установки, включенные электронагревательные и электроизмерительные приборы.
3. Не пользоваться реактивами без этикеток или с неясными надписями на них.
4. Набирать кислоты, щелочи и ядовитые жидкости только пипеткой с грушей.
5. Во избежание попадания брызг кипящих жидкостей нельзя наклоняться над сосудом.

4 6. Растворы кислот, щелочей, ядовитых жидкостей сливать только в специальную посуду, которая находится в вытяжном шкафу.
7. После употребления реактива банку или склянку немедленно закрыть пробкой и поставить на место этикеткой наружу.
8. Тампонажные растворы и некоторые химические реагенты для их обработки обладают свойствами, раздражающими кожу и слизистые оболочки. Поэтому при работе сними требуется обязательное использование противопыльной спецодежды, респираторов или марлевых повязок. В условиях лаборатории, где используются небольшие количества тампонажных материалов, необходимости применять респираторы и марлевые повязки нет. Разрешается выполнять работу в халатах или фартуках из плотной ткани. Цемент, глину, химреагенты не следует брать руками, используйте для этого совки. Рассыпание цемента, глины и химреагентов не допускается.
9. Запрещается сливать остатки тампонажных растворов в канализацию, это может провести к ее засорению и нарушению санитарного режима помещения лаборатории. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ О любых неисправностях оборудования или отклонениях от нормального хода анализа немедленно сообщить преподавателю. При воспламении летучих жидкостей необходимо их засыпать песком. При несчастном случае (любой травме) оказать пострадавшему помощь и сообщить преподавателю. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПО ОКОНЧАНИИ РАБОТЫ Выключить электропитание всех приборов. Навести порядок на рабочем месте. Использованные растворы и другие вещества слить или разместить в установленном месте по указанию преподавателя. Остатки тампонажных растворов следует собирать в ведро или другую посуду, а затем выносить в специально отведенное место для их захоронения. Вся лабораторная посуда после работы должна быть тщательно промыта с содой. Приборы и приспособления очищаются и протираются насухо. Тщательно вымыть руки. В обязанность дежурных также входит контроль за состоянием рабочих мести сдача их после окончания занятий преподавателю или учебному лаборанту. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ Приведенные лабораторные работы рассчитаны на двухчасовые занятия в аудитории подготовленных студентов. Для выполнения лабораторных работ студентам выдаются необходимые методические указания ив случае необходимости дополнительные справочные и нормативные материалы, техническая документация на приборы. До начала выполнения работы студенты предоставляют преподавателю установленной формы отчет счастью предварительно выполненного анализа, а именно п (см. форму отчета) и рабочую тетрадь, в которую заносятся все цифровые данные и все вычисления, сделанные в процессе работы. Студенты, допускаются к выполнению работы после проверки знаний в объеме тщательно подготовившие задание, контрольных вопросов к работе.

5 В процессе работы студенты оформляют последующие части отчета (заполнение таблиц, необходимые расчеты, выводы. Состав и содержание отчета приведены к каждой работе. Полностью оформленный отчет представляется преподавателю на проверку и защиту выполненной работы. ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ указываются тема работы и номер задания)
1. Цель и задачи работы.
2. Краткое описание методики исследования, принципов измерения.
3. Таблицы для занесения результатов исследований.
4. Расчеты и графики.
5. Выводы по работе. Руководство работами осуществляет преподаватель. При необходимости он может изменять объем и содержание работы, уточняет цель и порядок исследований, демонстрирует при необходимости работу установок, приборов или проведение отдельных этапов работы, напоминает основные требования безопасности и другие необходимые сведения. Работа 1. Изучение физико-механических свойств горных пород ЦЕЛЬ РАБОТЫ изучение буримости горных пород, те. способности породы сопротивляться проникновению в нее породоразрушающего инструмента в процессе бурения. ЗАДАНИЕ
1. Изучить конструкцию прибора по определению коэффициента динамической прочности.
2. Освоить определение категорий горных пород по буримости по методу ЦНИГРИ.
3. Составить описание горной породы с выводом об ожидаемой буримости горной породы и рекомендацией по выбору наиболее оптимального породоразрушающего инструмента. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ образец горной породы, прибор ПОК. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Буримость горных пород является функцией многих переменных, зависящей от природных, технологических и технических факторов, что в значительной степени затрудняет однозначное ее определение. Существующие объективные методы определения буримости горных пород, следующие
1. Метод ЦНИГРИ - определение категорий горных пород по буримости на основе их абразивности и динамической прочности в объединенном выражении.
2. Метод ВИТР - определение категорий горных пород по буримости с помощью прибора ВИТР - ОТ (определитель буримости горных пород.
3. Метод определения фактической буримости горных пород путем опытного бурения и характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени.

6 Первые два метода являются лабораторными и базируются на установлении некоторых физико-механических свойств горных пород.
Буримость зависит не только от свойств разрушаемой породы, но и от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента, глубины скважины, режимов работы забойного инструмента. В ЦНИГРИ (Н.И.Любимов) разработана шкала для определения категории пород по буримости по значению так называемого объединенного показателям, учитывающего влияние прочностных и абразивных свойств пород на механическую скорость бурениям К
абр
, где Fg коэффициент динамической прочности породы, определяемый на установке ПОК;
К
абр
– коэффициент абразивности, оцениваемый по методу Н.И.Любимова на ПОАК – М. Шкала для определения категории горных пород по буримости (ЦНИГРИ) Категория пород по буримости Объединенный показатель, м
Твердость по штампу, Р
ш
, МПа
I
-
0,005 – 0,025
II
-
0,025 – 0,125
III
2,0 – 3,0 0,125 – 0,625
IV
3,0 – 4,5
-
V
4,5 – 6,8
-
VI
6,8 – 10,1
-
VII
10,1 – 15,2
-
VIII
15,2 – 22,8
-
IX
22,8 – 34,2
-
X
34,2 – 51,2
-
XI
51,2 – 76,8
-
XII
76,8
- Прибор ПОК конструкции ЦНИГРИ, состоит из следующих основных узлов
1) трубного копра
2) сита
3) объемомера.
1. Трубный копер служит для размельчения испытуемых горных пород, состоит из стакана, в который закладываются куски испытуемой породы, трубы и гири с крючком, к которому прикрепляется ремень, служащий для подъема и сбрасывания гири
2. Сито служит для просеивания измельченной породы и имеет сетку № 0,5;
3. Объемомер служит для замера объема просеянной сквозь сито породы состоит из корпуса и поршня, на котором нанесена шкала от 0 до 150 мм сценой деления 1 мм. Техническая характеристика прибора ПОК
1. Высота сбрасывания гири, мм. ................................................... 600 2. Вес сбрасываемой гири, кГс ....................................................... 2,4 3. Число сбрасываний гири при обработке одной пробы ...
10 4. Объем отдельной пробы, см . . ............................................... 15-20 5. Габариты трубного копра высота, мм ... ........................................................................... 750 диаметр, мм ............................................................................. 88 вес, кГс ................................................................................ 10,07 6. Размеры отверстий сетки сита, мм ........................................... 0,5 7. Габариты сита высота, мм .............................................................................. 70

7 диаметр, мм ............................................................................. 150 вес, кГс ..................................................................................... 0,582 8. Шкала объемомера, мм ............................................................... 0-150 9. Цена одного деления, мм ............................................................ 1 10. Габариты объемомера: высота, мм .............................................................................. 205 диаметр, мм ............................................................................. 30 вес, кГс ..................................................................................... 1,01 ПОРЯДОК РАБОТЫ Способ определения динамической прочности заключается в следующем
1) испытуемый образец горной породы разбить на куски 1,5-2,0 см в поперечнике. Для измерения габаритов кусков необходимо пользоваться шаблоном
2) из кусков набрать 5 проб объемом 15-20 см каждая
3) положить одну пробу В стакан и собрать трубный копер
4) растолочь пробу десятикратным сбрасыванием гири
5) все пять проб толченой породы ссыпать в сито и просеять
6) просеянный материал высыпать в цилиндр объемомера;
7) уплотнить ссыпанный в цилиндр объемомера материал легким постукиванием цилиндра о стол
8) опустить поршень объемомера в цилиндр
9) сделать отсчет в мм по шкале, находящейся на поршне объемомера. Коэффициент динамической прочности испытуемой породы определяется последующей формуле
F
g
= (20 n) / l,
(1) где Fg - коэффициент динамической прочности
n - число сбрасываний гири (n=10);
l - высота столбика раздробленной породы (отсчет по объемомеру), мм.
20 – эмпирический коэффициент пропорциональности. Выполненные замеры коэффициента динамической прочности внести в таблицу, определить среднее значение и ошибку ее определения при заданной надежности. Таблица 1.
№ п/п Число ударов n Замер по объемометру, l Динамическая прочность, Отклонение от среднего значения Δ
i
= ( F
g
)
i
– (F
g
)
ср Вопросы
1. Что понимают под определением буримости?
2. Отчего зависит буримость?
3. Что понимают под объединенным показателем
4. Сколько категорий горных пород по буримости?
5. Из чего состоит прибор ПОК?

8 Работа 2. Породоразрушающий инструмент для бурения скважин ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение конструктивных особенностей и назначений породоразрушающего инструмента. МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ натурные образцы долот, плакаты.
ЗАДАНИЕ:
1. Ознакомиться с теоретическим блоком методических изданий.
2. Пользуясь информацией теоретической части сделать необходимые эскизы с указанием всех деталей.
3. Рассмотреть натуральные образцы долот.
4. По результатам осмотра сделать необходимые замеры и записать маркировку долота. Результаты осмотра долота занести в таблицу.
1. Наружный диаметр, мм
2. Число лопастей или шарошек
3. Тип долота
4. Шифр долота
5. Ответить на вопросы. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ Порода на забое скважины разрушается за счет сил вызывающих деформацию определенного вида смятие, раздавливание, резание, скалывание, дробление. По принципу взаимодействия с горной породой все породоразрушающие инструменты ПРИ) делят на четыре группы режуще – скалывающие, режуще – истирающие, истирающие и дробяще – скалывающие. Возможность применения той или иной группы инструмента обусловлено твердостью породы. Это нашло отражение в классификации инструмента по типам. Категория твердости пород (по штампу) 1; 2; 3 4; 5 6; 7 8; 9 10; 11; 12 Тип инструмента МС Т КОК По назначению ПРИ подразделяется натри группы
1) Для бурения со сплошным разрушением породы на забое скважины – долота) Для бурения с кольцевым разрушением породы на забое, составлением в центре ненарушенных образцов породы (керна) – бурильные головки) Для специальных работ расширения, выравнивания стенок скважины, разрушения металла на забое и прорезания окон в стенках обсадных труб при зарезки дополнительных стволов – долота специального назначения. БУРОВЫЕ ДОЛОТА а) Шарошечные долота Ими ежегодно выполняется 90 – 95 % объема проходки в нашей стране и за рубежом. При бурении нефтяных и газовых скважин применяют шарошечные долота диаметром от
165,1 до 508 мм, для бурения в породах различных механических и абразивных свойств. В зависимости от числа рабочих органов шарошечные долота бывают одно, двух, трех, четырех- и многошарошечные. Наибольшее распространение получили трехшарошечные

9 долота. При вращении долота почасовой стрелке шарошки, перекатываясь по забою против часовой стрелке, совершают сложное вращательное движение. В результате породоразрушающие элементы шарошек наносят удары по породе, дробя и скалывая ее. Поэтому шарошечные долота по принципу разрушения породы относят к долотам дробяще- скалывающего действия. Шарошка – основной породоразрушающий орган выполненный в виде конуса, сферы или диска. Каждая шарошка закрепляется на цапфах лап с помощью трех подшипников замкового, большого и малого. Кроме опоры шарошек цапфа служит для восприятия радиальной и осевой составляющей нагрузки действующих на шарошку. В долотах используются подшипники качения и подшипники скольжения. Основной объем шарошек в стране выпускается АО «Уралбурмаш» и АО
«Волгабурмаш». Долота выпускаются двух типов одно- и трехшарошечные диаметром от 76 до 444,5 мм с фрезероваными зубьями, наплавленные зерновым твердым сплавом (для малоабразивных породи с твердосплавными вставками (для абразивных порода б в Рис. Шарошечные долота а) одно, б) двух, в) трехшарошечные.
1- корпус с резьбовой головкой 2 – лапа с опорой 3 - шарошка По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов долота выпускаются с центральной промывкой (обозначение Ц,
• с центральной продувкой (Пс боковой продувкой (ПГ),
• с боковой гидромониторной промывкой (Г. Сменные гидромониторные насадки изготовляются диаметром от 6,4 до 22,2 мм. Эффективность удаления шлама с забоя зависит от степени приближения к нему выходного отверстия промывочного канала Пример условного обозначения шарошечных долот 215,9 МЗ – ГВ – 4.
215,9 – диаметр долота, мм
МЗ – для мягких абразивных пород Г – гидромониторная боковая промывка В – только подшипники скольжения в опоре шарошек
4– номер заводской модели. б) Лопастные долота Лопастные долота по характеру разрушения породы выпускаются двух группа) режуще – скалывающего действия (РС) двух типов (Ми МС) для разбуривания рыхлых и слабосцементированных обломочных породи б) истирающего действия (ИР) также двух типов (МСЗ и С) для разбуривания соответственно мягких абразивных пород (слабосцементированные песчаники и алевролиты) и средних по твердости пород (аргиллиты, глинистые сланцы, гипсы) Долото (рис) состоит из корпуса, в верхней конической части которого нарезана наружная присоединительная резьба. К корпусу приварены лопасти (две или три) со сплошной (РС) и гребенчатой (ИС) режущими кромками, лопасти выполнены слегка наклонными в сторону вращения. Долота типа М характеризуется армированием режущих кромок зерновым твердым сплавом с последующим покрытием лопастей чугуном. Рис. 2.2. Трехлопастное долото типов М(а) и МС(б): 1 корпус 2 – лопасти 3 – уплотнительные кольца 4 – твердосплавные штыри 5- байонетная шайба 6 - присоединельная резьба 7 – сопло 8 – болт 9 – стопорная шайба 10 – пластины. Армирование режущих кромок износостойким материалом принято называть вооружением долота. Боковая поверхность долот армируется твердосплавными штырями. Долота типа МС армируются твердосплавными пластинами, а лопастные – зернистым твердым сплавом. По конструкции промывочного устройства выпускаются двух видов со специальными соплами (струйными или гидромониторными) и без сопел, число сопел равно числу лопастей. Твердосплавные долота разновидности ИСМ изготовляются только для пород типа М, МС, С отличаются от Л формой и армировкой режущей поверхности сверхтвердым материалом «славутичем». Аббревиатура ИСМ расшифровывается как Институт сверхтвердых материалов. Долота ИСМ разрушают горную породу по принципу резания и истирания. Сопла промывочных каналов изготовлены из твердого сплава и рассчитаны на истечения промывочной жидкости со скоростью 90 – 120 м. Пример обозначения

  1   2   3   4