Цели преподаваемой дисциплины достигаются за счет выполнения комплекса учебно-методических работ, включающих следующее:
· Изучение основных вопросов технологии бурения нефтяных и газовых скважин при освоении теоретического курса;
· Проведение теоретических параметров режима бурения скважин;
· Освоение компьютерных программ по расчету бурильных колонн;
· Изучение породоразрушающего инструмента;
· Непосредственное участие в осуществлении технологии бурения в период производственной и преддипломной практик;
· Выполнение курсового проекта, включающего перечень необходимых расчетных, аналитических и технологических работ, обеспечивающих осуществление всего цикла бурения скважин в конкретных геолого-технических условиях;
· Выполнение творческих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в плане НИРС и во время дипломного проектирования.
Содержание теоретического раздела дисциплины
Введение
Значение буровых работ в нефтегазодобывающей промышленности. Основные этапы в истории бурения. Краткая характеристика состояния буровых работ в России и за рубежом.
Квалификационная характеристика горного инженера по специальности 090800. Значение дисциплины «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» для формирования специалиста, связь данной дисциплины со смежными.
1. Общие сведения о сооружении скважин
Понятие о скважине, ее элементах, конструкции, о пространственном положении.
Классификация скважин, применяемых в нефтегазодобывающей промышленности, по назначению, по пространственному положению оси и другим признакам. Сведения о скважинах, сооружаемых в других отраслях промышленности.
Понятие о цикле строительства скважины и его структуре. Содержание основных этапов цикла.
Понятие о способе бурения. Классификации способов бурения. Краткая характеристика основных способов, достоинства, недостатки, области применения, перспективы развития. Основные показатели бурения. Функциональная схема буровой установки для вращательного бурения нефтегазовых скважин.
1.2. Технологический буровой инструмент
1.2.1. Породоразрушающий инструмент (ПРИ)
Классификации породоразрушающего инструмента.
Шарошечные долота. Особенности конструкций, изготовления. Классификация шарошечных долот. Типообразующие параметры.
Сортамент долот по вооружению (ГОСТ 20692). Конструктивные особенности вооружения шарошечных долот различных типов. Коэффициент перекрытия забоя.
Конструкции опор шарошечных долот и их классификация по ГОСТ 20692. Области применения опор различных видов. Особенности конструкции маслонаполненных герметизированных опор. Системы очистки шарошечных долот, их классификация по ГОСТ 20692. Конструкции и сортамент гидромониторных насадок. Схемы и характер движения очистного агента в призабойной зоне. Влияние конструктивных особенностей систем очистки на эффективность удаления шлама с забоя.
Вертикальные перемещения и скольжение шарошечных долот по забою.
Коэффициент скольжения. Факторы, влияющие на динамику работы долота.
Параметры качества шарошечных долот. Паспорт долота.
Износ вооружения и опор шарошечных долот. Закономерности износа и факторы, влияющие на его интенсивность. Нормальный и аварийный износ долот. Методы оценки износа. Код для записи износа долота.
Особенности конструкций одно- и двухшарошечных долот, их достоинства и недостатки, область применения.
Зарубежные шарошечные долота. Классификация IADC. Особенности конструкций и эксплуатации.
Долота режуще-скалывающего действия. Классификация, конструкции, типоразмеры, область применения.
Долота истирающе-режущего действия. Особенности конструкций и эксплуатации алмазных долот. Особенности вооружения, конструкций и эксплуатации долот ИСМ и PDC c с использованием технологии «Стратапакс».
Породоразрушающий инструмент специального назначения. Пикообразные, эарезные и фрезерные долота; расширители, калибрующе-центрирующий инструмент; назначение, принцип работы и особенности конструкций.
1.2.2. Керноприемные устройства и бурильные головки
Классификация горных пород по трудности отбора керна. Классификация и конструкции бурильных головок. Конструкции компоновок кернорвателей. Динамика работы бурильных головок при формировании керна. Классификация керноприемных устройств. Конструкции керноприемных устройств со съемными и несъемными керноприемниками. Конструктивные особенности основных узлов керноприемных устройств. Условия эксплуатации керноотборного инструмента.
1.2.3. Бурильная колонна
Назначение и состав бурильной колонны. Конструкции ее элементов. Стандарты на бурильные трубы, бурильные замки и другие элементы колонны. Материалы для изготовления элементов бурильной колонны.
Достоинства и недостатки существующих конструкций бурильных труб, их соединений и других элементов колонны. Области применения. Пути совершенствования конструкций элементов бурильной колонны, повышения их прочности и износостойкости.
Принципы выбора компоновки бурильной колонны при различных способах бурения скважин.
Зарубежные бурильные трубы. Стандарт АНИ. Особенности конструкций и эксплуатации.
Принцип выбора компоновки низа бурильной колонны (КНБК) для предотвращения самопроизвольного искривления скважины. Классификация КНБК, используемых для бурения скважин; их достоинства, недостатки, область применения.
Условия работы бурильной колонны в вертикальных и наклонно-направленных скважинах. Силы, действующие на бурильную колонну при разных способах бурения. Распределение механических напряжений по длине колонны. Опасные сечения.
Колебания в бурильной колонне. Виды колебаний. Влияние колебаний на работу бурового инструмента. Методы устранения колебаний.
Расчет бурильной колонны на прочность. Обоснование выбора расчетных нагрузок и коэффициентов запаса прочности. Методика расчета бурильной колонны на прочность при турбинном и роторном способах бурения. Особенности расчета на прочность в интервале значительных изменений зенитного и азимутального углов.
Проверочный расчет на сопротивляемость смятию в клиновом захвате.
Расчет момента, необходимого для крепления резьбовых соединений. Проверочный расчет на сопротивление избыточному давлению бурового раствора. Расчет удлинения бурильной колонны под действием механических сил и температуры.
Эксплуатация элементов бурильной колонны. Трубные базы, их функции и оснащение. Приемка, проверка и сборка элементов бурильной колонны. Дефектоскопия элементов колонны. Уход за резьбовыми соединениями. Смазки для резьб. Контроль герметичности элементов бурильной колонны.
Виды износа элементов бурильной колонны. Коррозия бурильных труб и соединений.
Паспортизация и учет работы элементов бурильной колонны. Виды ремонтов бурильной колонны.
1.3. Забойные двигатели
Недостатки роторного способа бурения, способствующие развитию технологии бурения с использованием забойных двигателей.
Основные требования к забойным двигателям. Классификация забойных двигателей. Область применения, достоинства и недостатки.
1.3.1. Турбобуры
Устройство и принцип действия турбобура.
Движение жидкости в турбине. Характеристика турбины при постоянном расходе. Режимы работы турбины, КПД турбины. Критерии гидродинамического подобия в турбинах. Решетка профилей и полигон скоростей турбины. Типы турбин, область применения, достоинства, недостатки.
Опоры турбобуров, конструкции, область применения, достоинства, недостатки.
Конструкции серийных турбобуров: секционных (ТС), секционных шпиндельных (ТСШ), с наклонной линией давления А (АШ) и АГТ (АГТШ), редукторных (РТ), с механизмом холостого хода (ТРХ), для бурения с отбором керна, для отклонения ствола скважины. Турбобуры для реактивно-турбинного бурения (РТБ). Унифицированные модули турбобуров.
Рабочая характеристика турбобура. Принцип расчета рабочей характеристики.
Условия эксплуатации турбобуров. Паспорт турбобура. Ресурс работы, виды износа и ремонта турбобуров.
1.3.2. Винтовые забойные двигатели (ВЗД)
Устройство и принцип действия ВЗД. Основные конструктивные параметры, их влияние на энергетические характеристики ВЗД. Рабочая характеристика ВЗД.
Типы серийных ВЗД, их технические характеристики в сравнении с турбобурами. Область применения, достоинства и недостатки. Турбовинтовые двигатели.
Эксплуатация ВЗД. Ресурс работы. Виды износа и ремонта. Документация на ВЗД.
1.3.3. Электробуры
Конструкция электробуров и системы токоподвода. Рабочая характеристика. Типы современных электробуров и их характеристики. Область применения электробуров. Достоинства и недостатки электробуров.
1.4. Технологические аспекты бурения.
1.4.1. Взаимосвязь показателей и режимных параметров бурения.
Понятие о технологии и режимах бурения. Основные показатели, характеризующие технологию процесса бурения. Показатели работы долот. Параметры режимов бурения: осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, частота его оборотов, интенсивность промывки и качество бурового промывочного раствора. Взаимосвязь показателей работы долот и параметров режимов бурения. Разновидности режимов бурения.
Зависимости начальной механической скорости бурения от осевой нагрузки на долото, частоты его вращения и степени очистки забоя.
Понятие об областях различной степени совершенства очистки забоя. Пути улучшения качества очистки забоя. Влияние качества бурового промывочного раствора на механическую скорость бурения.
Изменение механической скорости бурения по времени. Влияние различных факторов на темп снижения механической скорости.
Факторы, определяющие проходку на долото. Рациональная продолжительность работы долота на забое, ее определение.
Расчет вращающего момента и мощности, необходимых для работы долота на забое. Понятие об удельном моменте. Изменение вращающего момента во времени.
Разработка режимов бурения для основных способов бурения нефтяных и газовых скважин.
1.4.2. Специфика различных технологий в бурении
Особенности технологии роторного бурения. Принципы нормирования расхода бурового раствора и регулирования гидравлической мощности, подводимой к долоту. Общие затраты мощности на процесс роторного бурения. Коэффициенты передачи мощности на забой и пути их повышения. Ограничения, накладываемые на режим роторного бурения технической характеристикой буровой установки и прочностью бурильной колонны. Способы контроля за отработкой долот при роторном бурении.
Особенности технологии турбинного бурения. Общие затраты мощности на процесс турбинного бурения. Коэффициенты передачи мощности на забой и пути их повышения.
Влияние динамичности работы долота на частоту вращения вала турбобура. Способы стабилизации частоты вращения вала. Контроль частоты вращения вала турбобура. Способы регулирования частоты вращения. Принципы выбора диаметра, типа и числа секций турбобура, а также необходимого расхода бурового раствора для работы турбобобура, их влияние на эффективность очистки забоя, на возможность использования гидромониторных долот. Пути уменьшения утечек.
Особенности технологии бурения с помощью электробуров. Перегрузочная способность забойного электродвигателя. Коэффициенты передачи мощности на забой и пути их повышения. Контроль забойных параметров режима бурения и пространственного положения оси скважины в процессе бурения с использованием электробуров.
1.4.3. Бурение скважин при сбалансированном давлении
Влияние дифференциального давления на эффективность бурения. Способы прогнозирования пластовых давлений. Сущность бурения при равновесии давлений в системе «скважина-пласт». Специальное оборудование для бурения при сбалансированном давлении. Техника безопасности при выполнении работ.
1.4.4. Бурение скважин с отбором керна.
Влияние технологических параметров на вынос керна. Выбор оптимального режима бурения с целью керносбережения. Пути совершенствования технических средств и технологии бурения с отбором керна.
1.4.5. Бурение скважин с использованием гидромониторного эффекта
Условия осуществления гидромониторного эффекта при бурении. Баланс напора при гидромониторной промывке. Требования к техническим средствам и оборудованию для бурения с использованием гидромониторного эффкекта.
1.4.6. Бурение опорно-технологических скважин.
Понятие об опорно-технологических скважинах (ОТС). Бурение ОТС как метод сбора данных для проектирования технологии бурения. Состав работ по бурению ОТС. Определение базовых зависимостей между основными показателями процесса бурения и параметрами режимов бурения. Составление режимно-технологических карт.
1.4.7. Проектирование технологии бурения
Выбор способа бурения в зависимости от геологического разреза, назначения и глубины скважины, условий бурения, обустройства района буровых работ.
Аналитический метод проектирования и проектирование по результатам ранее пробуренных скважин.
Порядок выделения в разрезе нормативных пачек и выбор для них рациональных типов долот.
Обоснование режимных параметров процесса бурения (осевой нагрузки, частоты оборотов, расхода бурового раствора и его качества). Выбор компоновки бурильной колонны.
Выбор типоразмера турбобура (ВЗД) на основании проектного диаметра скважины и необходимого крутящего момента на долоте.
Обоснование параметров режимов бурения при проработке ствола, первичном вскрытии продуктивного пласта, отборе керна.
1.5. Основные особенности технологии бурения скважин в осложненных условиях
Основные понятия и виды осложнений. Затраты времени на ликвидацию осложнений в общем балансе времени бурения скважин.
1.5.1. Технология бурения для предупреждения поглощения промывочной жидкости
Причины возникновения поглощений, их влияние на условия проводки скважин. Интенсивность поглощений. Характеристика зон поглощений, их исследование. Гидравлический разрыв пластов, причины, способствующие гидроразрыву. Технологические способы предупреждения поглощений и безаварийной проходки скважины.
1.5.2. Технология бурения для предупреждения водонефтегазопроявлений
Причины возникновения проявлений, их разновидности и последствия. Первичные признаки проявлений, стадии развития. Предупреждение проявлений. Режим промывки скважины и выполнения спуско-подъемных операций в зонах возможных проявлений.
1.5.3. Технология бурения для предупреждения нарушений устойчивости стенок скважины
Виды и причины нарушений устойчивости стенок скважины. Признаки и последствия проявления нарушений. Контроль за состоянием ствола скважины. Технологические мероприятия по предупреждению нарушений устойчивости и ликвидация нарушений.
1.5.4. Технологические мероприятия для предупреждения прихватов
Виды и причины прихватов. Посадки и затяжки инструмента, их возможные последствия. Признаки прихватов. Технологические мероприятия по предупреждению прихватов.
1.5.5. Особенности технологии бурения в многолетнемерзлых породах
Распространенность многолетнемерзлых пород (ММП). Виды осложнений, связанных с нарушением теплового режима ММП, признаки и последствия. Технологические способы предупреждения таких осложнений.
1.7. Технология бурения неглубоких скважин различного назначения
1.7.1. Техника и технология бурения водозаборных скважин Особенности и способы бурения. Конструкции скважин и способы установки фильтров. Буровые установки, технологический инструмент и технология бурения.
1.7.2. Технология бурения скважин на твердые полезные ископаемые
Условия бурения и применяемые способы. Технологический буровой инструмент. Конструктивная схема, нормальный ряд буровых установок. Особенности технологии бурения.
1.7.3. особенности технологии бурения инженерно-геологических и сейсморазведочных скважин.
Назначение и особенности инженерно-геологических и сейсморазведочных скважин. Способы бурения, буровые установки, технологический инструмент и параметры режимов бурения.
Заключение
2. ТЕМЫЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Идентификация элементов технологической схемы установки БУ‑80
Бр (2 часа).
2. Идентификация элементов функциональных систем шарошечного долота (ШД) (2 часа).
3. Идентификация ШД с фрезерованным вооружением (2 часа).
4. Идентификация ШД с твердосплавным вооружением (2 часа).
5. Идентификация промывочных систем ШД (4 часа).
6. Визуальный контроль качества ШД (2 часа).
7. Инструментальный контроль качества ШД (4 часа).
8. Оценка параметров ШД при эксплуатации (2 часа).
9. Кодирование износа ШД (4 часа).
10. Долота лопастные и ИСМ (2 часа).
11. Идентификация бурильных труб (4 часа).
12. Идентификация соединительных элементов бурильной колонны (4 часа).
13. Определение прочностных характеристик бурильных труб (6 часов).
14. Идентификация турбин турбобуров (2 часа).
15. Идентификация опор турбобуров (4 часа).
16. Идентификация элементов секционных турбобуров (4 часа).
17. Идентификация элементов секционных шпиндельных турбобуров (4 часа).
18. Идентификация элементов турбобуров с наклонной линией давления (4 часа).
19. Идентификация элементов объемных винтовых двигателей (4часа).
20. Идентификация бурильных головок (4 часа).
21. Идентификация керноприемных устройств (2 часа).
22. Оперативная корректировка эксплуатации ШД (2 часа).
23. Определение продолжительности рациональной отработки долот (2 часа).
24. Идентификация аварийного инструмента (4 часа).
25. Идентификация породоразрушающего инструмента для бурения неглубоких скважин (4 часа).
26. Идентификация элементов бурильной колонны для бурения неглубоких скважин (4 часа).
27. Инструмент для отбора керна при бурении на твердые полезные ископаемые (4 часа).
Студенты – заочного обучения выполняют лабораторные работы по 5, 8, 12, 14, 15, 20, 22, 23, 24 темам.
3. ТЕМЫПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Выбор способа бурения (2 часа).
2. Анализ качества материалов для изготовления шарошечных долот
(ШД) (2 часа).
3. Анализ конструкций опор ШД (2 часа).
4. Анализ схем очистки забоя (2 часа).
5. Анализ конструкций ШД (2 часа).
6. Анализ конструкции алмазных долот (2 часа).
7. Анализ компоновок бурильной колонны (2 часа).
8. Анализ компоновок низа бурильной колонны для бурения вертикальных скважин (2 часа).
9. Анализ компоновок низа бурильной колонны для бурения наклонно-направленных скважин (2 часа).
10. Расчет бурильной колонны для турбинного бурения вертикальной скважины (4 часа).
11. Расчет бурильной колонны для турбинного бурения наклонно направленной скважины (4 часа).
12. Расчет бурильной колонны для роторного бурения вертикальной скважины (4 часа).
13. Анализ энергетических характеристик турбобуров (2 часа).
14. Расчет параметров режима бурения шарошечными долотами (2 часа).
15. Выбор типоразмера турбобура (2 часа).
16. Расчет рабочих характеристик турбобуров (2 часа).
17. Расчет параметров режима первичного вскрытия продуктивного горизонта (2 часа).
18. Расчет параметров режима бурения с отбором керна (2 часа).
19. Расчет параметров нефтяной и кислотной ванн (2 часа).
20. Проектирование бурильной колонны для проходки неглубоких скважин (4 часа).
21. Расчет параметров режима бурения неглубоких скважин (4 часа).
4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Курсовой проект по дисциплине выполняется студентами очного обучения в 7 семестре, а заочного в 9‑ом и состоит из текстового и графического материалов.
Текстовый материал проекта представляется в виде пояснительной записки (ПЗ), которая должна содержать: титульный лист; задание на проектирование; аннотацию; содержание; введение; основные части (общую и геологическую, технологическую); специальный вопрос; заключение; список использованных источников; приложения.
Основные части ПЗ в общем случае должны включать в себя следующие разделы:
1. Общая и геологическая часть
1.1. Географо-экономическая характеристика района работ
1.2. Геологические условия бурения
1.3. Характеристика нефтегазоносности месторождения (площади)
2. Технологическая часть
2.1. Выбор и обоснование способа бурения
2.2. Конструкция скважины
2.3. Обоснование класса и типа долот по интервалам бурения
2.4. Обоснование режима бурения
2.4.1. Расчет осевой нагрузки на долото
2.4.2. Расчет частоты вращения долота
2.4.3. Выбор состава и свойств очистного агента
2.4.4. Расчет расхода очистного агента
2.4.5. Обоснование критерия рациональной отработки долот
2.5. Технические средства и параметры режима бурения при отборе керна
2.6. Технология вскрытия продуктивного горизонта
2.7. Выбор и обоснование типа забойного двигателя
2.8. Проектирование и расчет компоновки бурильной колонны
2.9. Разработка мероприятий по предупреждению и ликвидации осложнений
2.10. Выбор и обоснование типа буровой установки
2.11. Техническая документация на производство буровых работ
Пояснительная записка выполняется на листах писчей бумаги формата А4 или потребительского формата, близкого к формату А4. Объем ПЗ должен составлять ориентировочно 40 рукописных или 30 машинописных листов.
Графический материал проекта представляется на двух листах чертежной бумаги формата А1 в виде геолого-технического наряда (ГТН) на бурение скважины (лист № 1) и в виде чертежей к специальному вопросу или схемы компоновки бурильной колонны для определенного (по выбору автора) интервала скважины (лист № 2).
Более детальное содержание курсового проекта, подробные рекомендации по выполнению РПЗ и графических материалов, а также требования к его оформлению приведены в отдельных методических указаниях [12].
5. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ
Спроектировать компоновку бурильной колонны для следующих заданных параметров: Н - глубина бурения, м; Д - диаметр долота, мм; G - осевая нагрузка на долото, Тс (табл. 1). Способ бурения - турбинный.
Таблица 1
| В а р и а н т ы | ||||||||
| Параметры | ||||||||
| D, мм | 190,5 | |||||||
| Н, м | ||||||||
| G, Тс | ||||||||
| В а р и а н т ы | ||||||||
| Параметры | ||||||||
| D, мм | 215,9 | |||||||
| Н, м | ||||||||
| G, Тс |
Продолжение таблицы 1
| В а р и а н т ы | |||||||||
| Параметры | |||||||||
| D, мм | 215,9 | ||||||||
| Н, м | |||||||||
| G, Тс |
Расчеты выполнить в соответствии с методикой, изложенной в [9].
6. ЛИТЕРАТУРА
1. Булатов А.И., Аветисов А.Т. Справочник инженера по бурению. В 4‑х книгах. - М.: Недра. Кн. 1, 1993. - 320 с. Кн. 3, 1995. - 320 с.
2. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. Учебник. -
М.: Недра, 1985. - 421 с.
3. Григулецкий В.Г., Лукьянов В.Т. Проектирование компоновок нижней части бурильной колонны. - М.: Недра, 1990. -301 с.
4. Демихов В.И. Средства измерения параметров бурения скважин:
Справочное пособие. - М.: Недра, 1990. - 286 с.
5. Долговечность шарошечных долот. - М.: Недра, 1992. - 266 с.
6. Иогансен К.В. Спутник буровика. Справочник. — М.: Недра,
1990. - 302 с.
7. Масленников И.К. Буровой инструмент: Справочник. - М.: Недра, 1989. - 430 с.
8. Пустовойтенко И.К. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. - М.: Недра, 1988. - 279 с.
9. Рязанов В.И., Борисов К.И. Расчет бурильных колонн: Учебн. пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2005. - 57 с.
10. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. Учебник. - М.: Недра, 1988. - 359 с.
11. Сыромятников Е.С., Андреев А.Ф. Научно-технический прогресс в бурении нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1991. - 214 с. 16
12. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Метод. указ.
курс. пр. спец. 090800 / сост. А.Н.Баранов, В.И.Рязанов, П.С.Чубик. - Томск: Изд. ТПУ, 1996. - 20 с.
13. Шаповалов А.Г. Проектирование и финансирование строительства нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1991. -222 с.
14. Шарошечные долота и бурильные головки: Каталог. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990. -92 с.
15. Ясов В.Г., Мыслюк М.А. Осложнения в бурении: Справочное пособие. - М.: Недра, 1991. - 333 с.