Проектирование расхода бурового раствора

Количество подаваемого в скважину бурового раствора в единицу времени определяется из необходимости:

• отрыва частиц выбуренной породы от забоя;

• транспортировки шлама на поверхность;

• исключения размыва (эрозии) стенок скважины;

• предупреждения прихватов в результате скопления шлама в кольцевом пространстве;

• обеспечения необходимой скорости истечения раствора из гидромониторных насадок долота;

• соответствия технической характеристике забойного двигателя и насосной группы.

Необходимый расход бурового раствора Q₁ для эффективной очистки забоя скважины от выбуренной породы определяется по формуле

м³/с, (9.1)

где K – удельный расход раствора на 1 м² забоя, м³/с,

S_заб – площадь забоя скважины, м².

В призабойной зоне диаметр скважины D_с практически равен номинальному диаметру долота D_д , поэтому

. (9.2)

Удельный расход раствора принимается в пределах от 0,3 до 0,65 м³/с. Большие значения берутся для мягких пород, так как в этом случае увеличивается объем шлама, образующегося в единицу времени.

Расход раствора Q₂ при котором обеспечивается вынос шлама на поверхность, ведется по формуле

м³/с, (9.3)

где V_кр – критическая скорость проскальзывания шлама относительно раствора, м/с;

V_М – механическая скорость бурения, м/с;

ρ_п – плотность разбуриваемой породы, г/см³;

ρ_р – плотность бурового раствора, г/см³;

ρ_см – плотность раствора со шламом, г/см³;

S_max – максимальная площадь кольцевого пространства, м².

м², (9.4)

где d_бт – минимальный диаметр бурильных труб запроектированной компоновки, м.

, (9.5)

где К_К – коэффициент каверзности.

Критическая скорость проскальзывания V_кр=0,1-0,15 м/с, большее значение берется для более крупного шлама, т.е. в мягких породах. Величина коэффициента каверзности может быть принята для условий Западной Сибири 1,3-1,4 в интервале до 1000 м, 1,2-1,5 при большей глубине. Более точное значение может быть взято из геологических материалов, собранных на практике.

Разность ρ_см- ρ_р=0,02г/см³.

Механическая скорость бурения определяется нормативно, исходя из прочности пород. Для условий Западной Сибири ориентировочно можно принять следующие значения механической скорости бурения:

в интервале до 600 м. V_мех= 30-40 м/час;

в интервале 600-1600 м V_мех= 25-30 м/час;

в интервале 1600-2400 м V_мех= 15-20 м/час;

при больших глубинах V_мех= 10-15 м/час.

Максимальный расход раствора Q₃, при котором не происходит размыв стенок скважины, может быть определен по формуле

м³/с, (9.6)

где V_{кп max} – максимально допустимая скорость течения жидкости в кольцевом пространстве,м/с, для условий Западной Сибири в интервале до 1000 м V_{кп max} =1,3 м/с, а в нижележащих интервалах V_{кп max} = 1,5 м/с;

S_min – минимальная площадь кольцевого пространства, м².

Эта площадь рассчитывается в интервале нахождения забойного двигателя или основной ступени УБТ при роторном бурении. Диаметр скважины принимается с учетом коэффициента каверзности.

Расчет минимального расхода бурового раствора Q₄ из условия предотвращения прихватов ведется по формуле

м³/с, (9.7)

где V_{кп min} – минимально допустимая скорость восходящего потока, м/с, V_{кп min} = 0,5 м/с.

Минимальный расход раствора Q₅ , исходя из условия создания необходимой скорости истечения из насадок долота, ведется по формуле

м³/с, (9.8)

где n – число насадок;

d_нmax – максимальный внутренний диаметр насадки, м;

V_н – необходимая скорость истечения жидкости из насадки, м/с;

Эта скорость принимается от 80 до 120 м/с. Большее значение берется в мягких породах.

Эта задача может иметь и обратное решение. Сначала задается оптимальный расход бурового раствора и скорость истечения, а по ним определяется диаметр отверстий насадок.

Расход раствора Q₆, исходя из устойчивой работы гидравлического двигателя, определяется его технической характеристикой.

По результатам расчетов определяется область допустимого расхода бурового раствора, которая должна быть меньше Q₃, но больше большего из значений Q₁ , Q₂ , Q_{4 ,} Q₅ и Q₆ , или равно ему.

Вышеприведенная последовательность расчетов проводится для каждого интервала скважины с одинаковыми гидравлическими параметрами. При изменении любого из них (диаметр долота, размеры гидромониторных насадок, тип забойного двигателя, КНБК, колонна бурильных труб, разбуриваемая порода) расчет повторяется.