Файл: Бурение нефтяных и газовых скважин учебное пособие.pdf

МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ
И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
(ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ)
Специальность 21.05.02 Прикладная геология
Специализация «Геология нефти и газа»
Квалификация выпускника – горный инженер-геолог
Ставрополь
2019
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2
УДК 622.143 (075.8)
ББК 33.131 я73
Б 91
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального университета
Рецензенты:
канд. геол.-минерал. наук, доцент Е. Ю. Туманова ученый секретарь Ставропольского филиала
ООО «Газпром проектирование» Н. И. Андрианов
Б 91
Бурение нефтяных и газовых скважин: учебное пособие
(лабораторный практикум) / сост.:Р. Ш. Самим, И. В. Мурад- ханов, Н. Г. Федорова, Т. Ш. Вагина. – Ставрополь: Изд-во
СКФУ, 2019. – 132 с.
Пособие составлено в соответствии с ОП подготовки специ- алистов и рабочей программой дисциплины; включает теоретиче- ские и практические разработки по разделам «Бурение нефтяных и газовых скважин», «Буровые промывочные и тампонажные рас- творы». Утверждено на заседании кафедры строительства нефтя- ных и газовых скважин (протокол № 15 от 26 апреля 2019 г.).
Предназначено для студентов, обучающихся по специально- сти 21.05.02 Бурение нефтяных и газовых скважин.
УДК 622.143 (075.8)
ББК 33.131 я73
Составители:
ст. преподаватель Р. Ш. Самим,
канд. пед. наук, доцент И. В. Мурадханов, д-р. техн. наук, профессор Н. Г. Федорова, канд. техн. наук, доцент Т. Ш. Вагина
© ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет», 2019
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Целью изучения дисциплины является формирование профес- сиональных компетенций будущего специалиста по специальности
21.05.02 Бурение нефтяных и газовых скважин.
Задачей освоения дисциплины является образование необхо- димой начальной базы знаний, по объектам профессиональной де- ятельности будущего специалиста является производственно- технологическая деятельность: проектирование технологических процессов по изучению природных объектов на стадиях регио- нального геологического изучения, поисков, разведки и разработ- ки месторождений полезных ископаемых; решение производ- ственных, научно-производственных задач в ходе полевых геоло- гических, геофизических, геохимических, эколого-геологических работ, лабораторных и аналитических исследований; оформление первичной геологической, геолого-геохимической, геолого- геофизической и геолого-экологической документации полевых наблюдений, опробования почвенно-растительного слоя, горных пород и полезных ископаемых на поверхности, в открытых и под- земных горных выработках и скважинах, в поверхностных и под- земных водах и подпочвенном воздухе; ведение учета выполняе- мых работ и оценки их экономической эффективности; проведение обработки, анализа и систематизации полевой и промысловой гео- логической, геофизической, геохимической, эколого-геологи- ческой информации с использованием современных методов ее автоматизированного сбора, хранения и обработки, организацион- но-управленческая, экспериментально-исследовательская, проект- ная деятельность.
Компетенция специалиста, формируемая в результате освое- ния дисциплины: выбирать технические средства для решения общепрофессио- нальных задач и осуществлять контроль за их применением (ПК-2).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать классификацию буровых скважин по целевому назна- чению и способу бурения; механические и технологические свой- ства горных пород, способы разрушения пород при бурении; ос- новное буровое оборудование, очистные агенты и тампонажные смеси, основные технологии и режимы бурения;
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

4
уметь использовать навыки в выполнении инженерных расче- тов по выбору конструкции скважины, параметров режима буре- ния и показателей работы долот по промысловым данным; выби- рать инструмент и оборудование, обеспечивающие высокие тех- нико-экономические показатели строительства нефтяных и газо- вых скважин.
владеть необходимой начальной базой знаний по объектам будущей профессиональной деятельности.
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

5
Лабораторная работа 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Цель: определить основные физико-механические свойства горных пород.
Знания и умения: использовать навыки в выполнении инже- нерных расчетов по выбору конструкции скважины, параметров режима бурения и показателей работы долот по промысловым данным; выбирать инструмент и оборудование, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели строительства нефтя- ных и газовых скважин.
Формируемые компетенции:
ПК-2 – выбирать технические средства для решения общепро- фессиональных задач и осуществлять контроль за их применением.
Актуальность темы: усложнение условий добычи полезных ископаемых и строительства подземных сооружений предъявляет повышенные требования к качеству результатов определения – механических свойств горных пород, что обусловливает объектив- ную потребность в совершенствовании существующих методов получения этих результатов.
Теоретическая часть
Под механическими свойствами понимают способность гор- ных пород реагировать на внешние воздействия изменением раз- меров, формы и целостности. К механическим свойствам относят- ся упругость, пластичность, вязкость и прочность.
Упругостью называется способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воз- действий. Упругость характеризуется модулем деформации при растяжении сжатии (модуль Юнга) Е и модулем деформации при сдвиге G, а также коэффициентом Пуассона μ (коэффициент про- порциональности между относительными продольными и попе- речными деформациями).
Согласно закону Гука, для идеально хрупких материалов от- носительная деформация ε прямо пропорциональна нормальному напряжению


= Е·ε.
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

6
Однако закон Гука соблюдается лишь в области малых де- формаций. Дальнейшее деформирование приводит или к хрупкому разрушению тел, или к потере пропорциональности между ε и

,
а также к появлению пластических (необратимых) деформаций – свойству пластичности.
Пластичностью называется способность горных пород изме- нять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохра- нять остаточные деформации после устранения воздействий.
Горные породы при их нагружении характеризуются одновременным проявлением упругости и пластичности.
Поведение деформируемых внешними силами тел во времени характеризуются вязкостью. Вязкостные свойства проявляются ползучестью (постоянный рост деформации при неизменном при- ложенном напряжении); релаксацией (постепенное уменьшение напряжений в теле при постоянной деформации его) и другими свойствами реальных тел.
Прочностью называется способность твердого тела (горной породы) оказывать сопротивление разрушению от внешнего воз- действия. При разрушении рвутся связи между частицами кри- сталлической структуры, не меняя агрегатного состояния веще- ства. Прочность оценивается по предельным напряжениям, кото- рые могут быть созданы в опасном сечении твердого тела. Разли- чают четыре вида напряженного состояния и соответствующие им предельные напряжения на сжатии

с
, сдвиг τ, изгиб

и
, растяже- ние

р
. Причем, для горных пород имеет место следующее соот- ношение:

с

τ


и


р
При бурении скважин горная порода разрушается в условиях сложного напряженного состояния. Породоразрушающий инстру- мент – долото контактирует с породой не по всей поверхности за- боя, а лишь на некоторых ограниченных площадках. Через эти площадки на породу создается локальное давление, под действием которого порода деформируется и разрушается. В этих условиях прочность, измеряемая классическими методами путем нагруже- ния всего испытуемого образца, оказывается недостаточной для характеристики сопротивляемости породы разрушению.
В горной промышленности сопротивляемость породы разру- шению принято характеризовать твердостью. Под твердостью по-
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

7 нимают сопротивление, оказываемое породой внедрению в нее другого твердого тела. Это есть прочность тела при вдавливании в него другого тела (прочность на вдавливание).
Метод определения механических свойств горных пород
Распространение получил метод определения твердости гор- ных пород, разработанный Л. А. Шрейнером. Сущность метода заключается во вдавливании цилиндрического штампа (пуансона) с плоским основанием в плоскую шлифованную поверхность ис- пытуемого образца горной породы до разрушения этой поверхно- сти. При этом замеряется сила Р, с которой действует штамп на образец, деформация (глубина погружения штампа) ε, параметры зоны разрушения, а также вычисляются показатели механических свойств: твердость, коэффициент пластичности, модуль упругости и др. В последнем случае строится график зависимости деформа- ции ε от величины приложенной силы (напряжения) Р – кривая деформации при вдавливании штампа.
По виду кривой деформации при вдавливании штампа разли- чают три класса пород: 1 – хрупкие (рис.1), 2 – пластично-хрупкие
(рис. 2), 3 – пластичные (рис. 3).
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3
При деформации хрупких пород (рис.1) вплоть до момента разрушения соблюдается закон Гука (деформация прямопропор- циональна величине приложенной силы). При достижении предела упругости (точка А) происходит хрупкое разрушение породы, причем глубина лунки (максимальное погружение штампа) ε
л зна- чительно больше упругой деформации ε
у
в момент разрушения.
За твердость p
ш
горной породы принимают величину напря- жений под основанием штампа в момент разрушения, т. е. когда нагрузка на штамп достигает наибольшего значения P
max
:
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

8
p
ш
=
ш
S
P
max
,
(1) где S
ш
– площадь основания штампа (площадь контакта штампа с породой).
Для пластично-хрупких пород (рис. 2) при нагрузке, большей
P
т
закон Гука нарушается, появляются пластические (необрати- мые) деформации, и порода деформируется с упрочнением из-за уплотнения ее под зоной контакта. В точке А достигается предел упругости и начинают проявлять себя пластичность и вязкостные
(реологические) свойства материала. Состояние материала в этой точке характеризуют пределом текучести p
т
:
p
т
=
Sш т
P
(2)
В качестве показателя пластичности пород принят энергети- ческий коэффициент пластичности К
пл
, под которым понимается отношение всей работы деформирования до момента разрушения
А
р
к работе упругого деформирования А
у
. Отношение величин А
р и
А
у
численно равно отношению соответствующих площадей диа- граммы S
oabc
и S
ode
(рис. 5). Таким образом, можно записать:
К
пл
=
Sode
Soabc
. (3)
Можно эти площади выразить через углы наклона линии диа- граммы: ОА –α
у
; АВ – α
п
. Тогда
К
пл
=
п
у
tg
tg
P
P
P
P








 

max т
1
max т
. (4)
При вдавливании штампа в пластичные породы хрупкого раз- рушения не происходит (рис. 3). В этом случае твердость p
ш
и ко- эффициент пластичности K
пл
, вычисленный по формуле (3), не мо- гут быть определены. Обычно этот коэффициент принимают рав- ным бесконечности. Однако из формулы (4) следует, что при не- ограниченном возрастании P
max
отношение max т
P
P
стремится к ну- лю. Тогда для пластичных пород коэффициент пластичности при- нимает численное значение:
К
пл
=
п
у
tg
tg


(5)
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

9
Характерно, что для хрупких породК
пл
= 1, т. к. P
т
и P
max практически равны между собой.
Все породы по твердости по штампу разделены на 12 катего- рий твердости (табл. 1).
Таблица 1
Классификация горных пород по твердости
Наименование
Твердость горных пород
Характеристи- ка буримости мягкие
(М) средние
(С) твердые
(Т) крепкие
(К) очень крепкие
(ОК)
Категория твердости
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 11 12
Твердость по штампу p
ш,
МПа
<100 100
–
250 250
–
500 500
–
1000 1000
–
1500 1500
–
2000 2000
–
3000 3000
–
4000 4000
–
5000 5000
–
6000 6000
–
7000
>7000
По пластичности все горные породы подразделены на 6 кате- горий (табл. 2).
Таблица 2
Классификация горных пород по пластичности
Наименование
Класс пород
Хрупкие
Пластично-хрупкие
Пластичные
Категория
1 2
3 4
5 6
Коэффициент пластичности К
пл
1 1–2 2–3 3–4 4–6
>6
Схема простейшей установки для испытания горных пород методом вдавливания цилиндрического штампа представлена на рис. 4.
Установка представляет собой гидравлический пресс 1, плун- жер 2 которого имеет столик 3 для размещения испытуемого об- разца породы 4 . Штамп (пуансон) 5 цилиндрической формы за- крепляется на неподвижном корпусе установки. Машинное масло в гидроцилиндре 1 выталкивает плунжер 2. Перемещение плунже- ра 2, столика 3 и образца породы 4 вверх замеряется через рычаг 6 механическим индикатором деформации 7 и индукционным дат- чиком деформации 8. Неподвижный штамп 5 препятствует пере- мещению подвижной системы плунжер – образец. Поэтому в ци- линдре 1 повышается давление масла, величина которого замеря- ется манометром 9 и магнитно-электрическим датчиком давления
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

10
10. Чем больше давление масла в гидроцилиндре, тем больше сила
Р, действующая на испытуемый образец со стороны штампа. Это давление создается ручным масляным насосом 11.
Рис. 4. Схема установки для испытания горных пород
вдавливанием штампа
Электрический сигнал от индукционного датчика деформации
8 и датчика 10 через электрические преобразователи 12 подается на графопостроитель 13, который на миллиметровой бумаге вы- черчивает график зависимости силы Р от величины абсолютной деформации испытуемого образца ε относительно неподвижного штампа 5. Масштаб записи регулируется переключателем диапа- зонов 14, а положение начала координат устанавливается регуля- тором 15. Абсолютное значение деформации на графопостроителе определяется путем умножения показания прибора на масштабный коэффициент m
ε
, а значение усилия на масштабный коэффициент
m
Р
При установке переключателей диапазонов 14 на 700 мВ m
ε
=
12,86 мм/мм и на 500 мВ m
Р
= 120 кН/мм.
Аппаратура и материалы
1. Установка для испытания горных пород вдавливанием штампа.
2. Образцы горных пород для проведения работы.
3. График зависимости силы Р от величины абсолютной де- формации ε испытуемого образца.
Copyright ООО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

11
Указания по технике безопасности
1. Лабораторная работа выполняется только после инструкта- жа по технике безопасности с обязательной росписью студентов в журнале по технике безопасности.
2. Допуск студентов к установке для испытания горных пород вдавливанием штампа осуществляется только в присутствии пре- подавателя.
Методика и порядок выполнения работы
1. Получить у преподавателя исследуемый образец породы.
2. Замерить диаметр основания штампа.
3. Ознакомиться с установкой и протереть пыль с образца по- роды и столика 3 (рис. 4). Включить электропитание прибора.
4. Установить образец породы4на столик пресса и винтом плунжера 3подвести этот образец до соприкосновения со штам- пом 5.
5. Установить рычаг 6 на поверхность образца, а начало шка- лы индикатора деформации 7 совместить со стрелкой.
6. Переключателем диапазонов 14, регулятором установки начала координат 15 и ручным насосом 11 подвести стрелки гра- фопостроителя 13 к нулевому положению.
7. Ручным насосом 11, с возможно постоянной скоростью и плавно, увеличивать нагрузку на штамп до характерного локаль- ного разрушения поверхности образца. При этом произойдет скач- кообразное уменьшение показания манометра 9 и одновременно резкое увеличение деформации до 1...2 мм, визуально наблюдае- мое на индикаторе7.
8. Снять отсчет максимального значения деформации на ин- дикаторе 7, которое будет соответствовать глубине лунки выкола.
9. Полученный на графопостроителе график показать препо- давателю.
Возможен вариант построения графика нагрузка – деформа- ция по точкам без применения графопостроителя. Для этого в таб- личной форме записываются значения деформации, снимаемые с индикатора7, соответствующие каждому фиксированному на ма- нометре 9 давлению масла в гидропрессе 1. Произведение этого давления на площадь плунжера 2 даст величину силы, действую- щей на штамп. Шаг нарастания давления масла, когда следует брать отсчет на индикаторе деформации, можно принять равным
100>