Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Выбор типа вертлюга для бурения скважин глубиной 6000м

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Нефти и газа

Кафедра «Машины и оборудования нефтяных и газовых скважин»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Техника и технология бурения

нефтяных и газовых скважин»

Выбор типа вертлюга для бурения

скважин глубиной 6000м

Пояснительная записка

ДМ 18-00.000 ПЗ

Студент НГ 08 – 05 _____________ П.Л.Павлова

Преподаватель _____________ В.А. Мельников

Красноярск 2011

Содержание

Введение………………………………………………………………………..		3
1	Вертлюг и его назначение……………………………………………….	4
	1.1 Устройство и конструктивные особенности вертлюга…………….	5
2	Расчет обсадных колонн	13
	2.1 Расчет эксплуатационной колонны…………………………………	13
	2.2 Расчет промежуточной колонны 1………………………………….	21
	2.3 Расчет промежуточной колонны 2………………………………….	31
3	Расчет бурильной колонны………………………………………………	40
	3.1 Расчет УБТ……………………………………………………………	40
	3.2 Расчет бурильной трубы……………………………………………..	41
4	Выбор бурового оборудования………………………………………….	53
5	Гидравлический расчет промывки скважины………………………….	54
6	Патентный обзор…………………………………………………………	59
7	Техническое предложение……………………………………………….	70
Список использованной литературы…………………………………………		71

Введение

В данном курсовом проекте проведены расчеты обсадных колонн, бурильных труб согласно методике расчета Куйбышевского ВНИИТнефть. Подобран тип буровой установки в зависимости от максимальных весов обсадных и бурильных колонн.

В соответствии с выбранным типом буровой установки и соответствующим буровым насосов просчитана гидравлическая программа бурения.

Выбран тип вертлюга, из существующего ряда, для бурения скважин глубиной 6000м. Проведена модернизация узла вертлюга для повышения его надежной работы.

Вертлюг

Вертлюг, являясь верхней опорой для бурового инструмента, предназначен для подвода бурового раствора во вращающуюся бурильную колонну. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых насосов. При этом ведущая труба бурильной колонны соединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъемных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоединяется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодических проворачиваний бурильной колонны с целью предотвращения прихватов.

В процессе эксплуатации вертлюг испытывает статические осевые нагрузки от действия веса бурильной колонны и динамические нагрузки, создаваемые продольными колебаниями долота и пульсацией промывочной жидкости. Детали вертлюга, контактирующие с раствором, подвергаются абразивному износу. Износостойкость трущихся деталей вертлюга снижается в результате, нагрева при трении.

К вертлюгам предъявляются следующие основные требования:

поперечные габариты не должны препятствовать его свободному перемещению вдоль вышки при наращивании бурильной колонны и спускоподъемных операциях;
быстроизнашиваемые узлы и детали должны быть удобными для быстрой замены в промысловых условиях;
подвод и распределение масла должны обеспечить эффективную смазку и охлаждение трущихся деталей вертлюга;
устройство для соединения с талевым блоком должно быть надежным и удобным для быстрого отвода и выноса вертлкма из шурфа.

Устройство и конструктивные особенности вертлюга

Вертлюги, применяемые в бурении эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, имеют общую конструктивную схему и различаются в основном по допускаемой осевой нагрузке. Конструктивные отличия некоторых узлов и деталей отечественных и зарубежных вертлюгов обусловлены требованиями изготовления и сборки, разрабатываемой с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долговечности.

Рисунок 1- Вертлюг УВ 250

На риc.1 показано устройство современных вертлюгов. Корпус 4 вертлюга изготовляется из углеродистой или низколегированной стали и представляет собой полую отливку с наружными боковыми карманами для штропа 12, посредством которого вертлюг подвешивается к крюку талевого механизма. Штроп имеет дугообразную форму и круглое поперечное сечение. Он изготовляется методом свободной ковки из легированных сталей марок 40ХН, 38ХГН, 3ОХГСА.

На высаженных концах штропа растачиваются отверстия для пальцев 7, соединяющих штроп с корпусом вертлюга. Пальцы устанавливаются в горизонтальных расточках карманов и корпуса и предохраняются от выпадения и проворотов стопорной планкой 8, которая входит в торцовый паз пальца и приваривается к корпусу вертлюга. При отводе ведущей трубы в шурф штроп вертлюга отклоняется от вертикали и занимает положение, удобное для разъединения и соединения его с крюком талевого механизма.

Угол поворота штропа ограничивается стенками карманов корпуса вертлюга и не превышает 45°. Пальцы штропа имеют смазочные канавки и отверстия с резьбой для пружинных масленок. Резьба смазочных отверстий используется для завинчивания рым-болтов, с помощью которых проводится распрессовка пальцев вертлюга. В корпусе вертлюга на упорных и радиальных подшипниках вращается ствол 5 с переводником для соединения вертлюга с ведущей трубой бурильной колонны. Ствол представляет собой стальной цилиндр с центральным проходным отверстием для промывочной жидкости и с наружным фланцем для упорных подшипников. Ствол вращается с частотой бурового ротора и испытывает нагрузки, создаваемые бурильной колонной и промывочной жидкостью, нагнетаемой в скважину. По сравнению с другими несущими узлами и деталями ствол вертлюга наиболее нагружен. Это предъявляет повышенные требования к его прочности. Стволы вертлюгов изготовляют из фасонных поковок, получаемых методом свободной ковки. Благодаря применению таких заготовок снижаются расход материала и затраты на механическую обработку. Для стволов используют стали марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, приобретающие в результате ковки более совершенную кристаллическую структуру и повышенные механические свойства.

Осевое положение ствола вертлюга фиксируется упорными подшипниками 6 и 9. Основная опора ствола — подшипник 6, нагружаемый весом ствола и бурильной колонны, когда вертлюг посредством штропа удерживается в подвешенном состоянии. Вспомогательной опорой ствола является подшипник 9, нагружаемый собственным весом корпуса и других невращающихся деталей, когда вертлюг опирается на ствол, а штроп вертлюга находится в свободном состоянии. Это происходит при установке вертлюга с ведущей трубой в шурф и в процессе бурения скважины, когда вследствие недостаточного веса бурильной колонны нагрузку на долото дополняют весом вертлюга.

В рассматриваемой конструкции вертлюга в основной опоре ствола установлен упорный подшипник с короткими цилиндрическими роликами. Благодаря укороченной длине снижается скольжение роликов относительно колец при вращении ствола. Это благоприятно влияет на износ и нагрев подшипников. Подшипники с коническими и сферическими роликами обладают большей нагрузочной способностью по сравнению с подшипниками, имеющими короткие цилиндрические ролики. Поэтому в тяжело нагруженных вертлюгах преимущественно применяются упорные 1 подшипники с коническими либо сферическими роликами. Для повышения долговечности в модернизированных вертлюгах. Урал-машзавода (УВ-250 МА) используются конические упорные подшипники.

Для центрирования роликов относительно ствола подшипник 6 снабжен внутренним сепаратором. Наружный сепаратор предохраняет ролики от смещения под действием центробежных сил. В менее нагруженной вспомогательной опоре используется шариковый упорный подшипник. Ствол центрируется в корпусе радиальными роликовыми подшипниками 3 и 10. Упорные подшипники центрируются по кольцу, установленному на стволе. Второе кольцо является свободным и благодаря этому самоцентрируется относительно тел качения подшипника. Осевое положение ствола и натяг подшипников 9 и 10 регулируются прокладками между корпусом 4 и крышкой 14 вертлюга. Осевой натяг нижнего радиального подшипника регулируется установочной втулкой, навинченной на ствол вертлюга и предохраняемой от отвинчивания стопорными винтами. Наружное кольцо подшипника удерживается пружинным стопором, установленным в кольцевом пазе корпуса. Для соединения вертлюга с ведущей трубой бурильной колонны используется сменный ниппельный переводник 1, предохраняющий резьбу ствола от износа и механических повреждений

Рисунок 2 - Быстроразъемное соединение

В связи с тем, что ствол вертлюга и верхний переводник ведущей трубы имеют внутренние резьбы, для их соединения используется переводник ниппельного типа. С целью предотвращения самоотвинчивания при вращении долота ствол вертлюга, переводники и верхний конец ведущей трубы имеют левую резьбу. Следует напомнить, что нижний переводник ведущей трубы и все другие соединения бурильной колонны имеют правую резьбу, совпадающую с направлением вращения долота.

Корпус вертлюга закрывается верхней 14 и нижней 2 крышками с центральными отверстиями для выводных концов ствола. Крышки крепятся к корпусу ввертными болтами. Верхняя крышка снабжена стойками и вторым фланцем, на котором укреплен отвод 11 для соединения вертлюга с буровым шлангом. Из отвода промывочная жидкость поступает в проходное отверстие ствола через промежуточное устройство 13

Полость между корпусом 4 с крышками 14, 2 и стволом вертлюга 5 заполняется жидким маслом для смазки основного и нижнего радиального подшипников. Стакан 15 ствола образует отдельную масляную ванну для смазки вспомогательного верхнего радиального подшипников. Масло заливается через отверстие в верхней крышке корпуса. Для слива отработанного масла предусмотрено отверстие в нижней крышке корпуса. Уровень масла проверяется контрольной пробкой, навинченной в корпус вертлюга. Масляные отверстия закрываются резьбовыми пробками.

Разработаны различные конструкции устройств для соединения отвода со стволом. Быстросъемное соединение отвода со стволом (рис. 2) состоит из свободно плавающей напорной трубы 9, манжетных уплотнений 6, 8, 10, 13 для герметизации прокачиваемой промывочной жидкости и накидных гаек 1 и 3, навернутых на ствол 14 и втулку 5, зажатую крепежными болтами между отводом 4 и фланцем крышки вертлюга (на рис.2 крышка не показана). Свободно плавающая напорная труба позволяет обеспечить быструю замену уплотнений и самой трубы, изнашиваемых абразивными частицами, содержащимися в промывочной жидкости. Для этого необходимо отвернуть накидные гайки 1, 3 и, вытащив весь узел, заменить его новым либо заблаговременно отремонтированным.

Работоспособность вертлюга зависит от надежности уплотнений, применяемых в его подвижных и неподвижных соединениях. Наиболее ответственными являются уплотнения напорной трубы, которые служат для предотвращения утечки промывочной жидкости, нагнетаемой под высоким давлением. Для этой цели (рис.2) используются самоуплотняющиеся радиальные 8, 10 и торцовые 6, 13 манжеты из синтетических материалов, обладающих достаточной упругостью и износостойкостью Воротники манжет направлены навстречу действующему давлению и поэтому прижимаются к уплотняемым поверхностям с силой, пропорциональной давлению промывочной жидкости.

Стыкуемые торцы напорной трубы и отвода уплотняются радиальной 8 и торцовой 6 манжетами, установленными в канавках кольцевой втулки 7. Втулка с манжетами надеты на напорную трубу и плотно прижаты к отводу вертлюга посредством накидной гайки 3. Противоположный стык между нижним торцом напорной трубы и стволом вертлюга уплотняется четырьмя радиальными манжетами 10, разделенными металлическими кольцами 11, и торцовой манжетой 13 Радиальные манжеты установлены в стакане 2 и затянуты накидной гайкой , соединяющей стакан со стволом вертлюга

Стакан вращается вместе со стволом, и радиальные манжеты скользят относительно напорной трубы, удерживаемой силой трения в верхней манжете 8. Скольжение вызывает износ контактируемых поверхностей, ускоряемый абразивным воздействием промывочного раствора. Поэтому нижнее уплотнение напорной трубы в отличие от неподвижного верхнего имеет многорядную конструкцию, благодаря которой повышаются его надежность и долговечность. Стакан снабжен винтовой масленкой для периодической смазки манжет с целью уменьшения износа и нагрева уплотнения в результате трения.

Манжета 10, расположенная над смазочным отверстием в стакане, предотвращает утечку масла при шприцовке и предохраняет его от внешнего загрязнения. Торцовая манжета 13 вращается вместе со стволом вертлюга и кольцом 12 и остается неподвижной относительно стыкуемых поверхностей. Неточности, допущенные при изготовлении и сборке, компенсируются свободно плавающим положением напорной трубы. Напорные трубы изготовляются из низколегированных цементуемых сталей марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др. Наружная поверхность напорных труб шлифуется и имеет твердость HRC 56—62

Для предотвращения утечки масла из масляной ванны вертлюга в нижней крышке его корпуса установлены две манжеты 4 (рис. 2) Манжеты прилегают к втулке 3, служащей для фиксации внутренней обоймы радиального подшипника 1 ствола вертлюга. Воротник манжеты прижимается к втулке с помощью кольцевой цилиндрической пружины надеюи на манжету. Во избежание проворота в крышке и для обеспечения герметичности манжета сажается в расточку крышки с натягом. Самоуплотняющиеся манжеты в данном случае неприемлемы из-за недостаточного давления в уплотняемой полости.

В осевом направлении манжета фиксируется шайбой 6, которая крепится к крышке болтами 5. Уплотнительное круглое кольцо 2 предотвращает просачивание масла между стволом вертлюга и втулкой. Для уменьшения трения в местах сопряжения со втулкой манжеты смазываются пластичным маслом через масленку 7. При заметном износе втулка заменяется новой. Аналогичные манжеты установлены между стволом и верхней крышкой корпуса вертлюга.

Плоские стыки между корпусом вертлюга и его крышками уплотняются листовыми прокладками из картона. Прокладка верхней крышки корпуса одновременно используется для регулирования осевого натяга вспомогательного упорного подшипника. Прокладка между крышкой и отводом вертлюга, работающая под давлением промывочной жидкости, изготовляется из прорезиненной ткани. Прокладки затягиваются болтами, используемыми для крепления стыкуемых деталей вертлюга.

Рисунок 3 - Подвеска вертлюга

В талевом механизме буровых установок, оснащенных комплексом АСП, вместо крюка используется автоматический элеватор. Соединение вертлюга с автоматическим элеватором осуществляется посредством устройства (рис. 3), состоящего из петлевых штропов 2, переходной скобы 3 и траверсы 5. Траверса надевается на штроп 7 вертлюга и соединяется с переходной скобой осью 4, закрепленной гайкой 9 и шплинтом 10 Положение траверсы фиксируется рамками 6, закрепленными на штропе вертлюга хомутами 8.

Вертлюг подвешивается к талевому механизму с помощью штропов 2, соединяющих переходную скобу с автоматическим элеватором 1, установленным на талевом блоке. Для предохранения штропов от выпадения проушины автомата ческого элеватора и переходной скобы крепятся болтами. При установке вертлюга в шурф штропы вытаскивают и автоматический элеватор освобождается для выполнения спускоподъемных операций.

2 Расчет обсадных колонн

На рисунке 3 показана схема конструкции обсадных колонн.

Рисунок 3 – Схема конструкции обсадных колонн

2.1 Расчет эксплуатационной колонны

Диаметр эксплуатационной колонны D_эксп=114мм.

Расстояние от устья скважины:

- до башмака колонны L=6000м;

- до башмака предыдущей колонны L₀=4000м;

-до уровня жидкости в колонне H=1000м (при испытании на герметичность);

-до уровня жидкости в колонне H=1500м (при освоении скважины).

Удельный вес:

- цементного раствора за колонной γ_ц=18500 H/м³ ;

-испытательной жидкости γ_ж=10000 Н/м³;

- бурового раствора за колонной γ_р=14000 H/м³;

- жидкости в колонне γ_в=11000 H/м³ (при освоении);

- жидкости в колонне γ_в=8500 H/м³ (в период ввода в эксплуатацию);

- жидкости в колонне γ_в=9500 H/м³ (при окончании эксплуатации).

Эксплуатационный объект расположен в интервале 5900- 6000м.

Запас прочности в зоне эксплуатационного объекта n₁=1,20.

Для наглядности приведем порядок построения эпюр внутренних и наружных давлений, а также избыточных давлений.

2.1.1 Построение эпюр внутренних давлений

2.1.1.1Определяем внутреннее давление в период ввода скважины в эксплуатацию по формуле (2.1):

при /2.1,с.74/

при z=0 ;

при z=L

Строим эпюру АВ (рисунок 3)

2.1.1.2 Внутреннее давление по окончании эксплуатации определяем по формуле (2.2):

p_вz=0 при ;

при /2.2, с.74/

при z=0 ;

при z=L

Строим эпюру CD (рисунок 3)

Рисунок 3 – Эпюра внутренних давлений

2.1.2 Построение эпюр наружных давлений

2.1.2.1 Определяем наружное давление для незацементированной зоны по формуле (2.3):

при /2.3,с.76/

при z=0 ;

при z=h=3950м;

2.1.2.2 Определяем наружное давление для зацементированной зоны:

- в интервале, закрепленной предыдущей колонной, по формуле (2.4):

при /2.4,с.76/

при z=h ;

при z=L₀=4000м;

- в интервале открытого ствола с учетом пластового давления

z=L=6000м; p_нL=90 МПа.

Строим эпюру ABCD (рисунок 4).

2.1.2.3 Определяем наружное давление с учетом давления составного столба тампонажного и бурового растворов по всей длине скважины по формулам (2.5) и (2.6) на момент окончания цементирования:

при /2.5,с.77/

при z=0 ;

при z=h=3950м;

при /2.6, с.77/

при z=L=6000м;

Строим эпюру ABE (рисунок 4).

Рисунок 4 – Эпюра наружных давлений

2.1.3 Построение эпюр избыточных наружных давлений

2.1.3.1 Определяем избыточное наружное давление на момент окончания цементирования по формулам (2.7) и (2.8):

при /2.7,с.77/

при z=0

при z=h

при /2.8, с77/

при z=L

2.1.3.2 Определяем избыточное наружное давление для процесса испытания колонны на герметичность снижением уровня:

- в незацементированной зоне – по формулам (2.9) и (2.10):

при /2.9, с.77/

при z=0

при z=H=1000м

при /2.10, с.79/

при z=h

в зацементированной зоне – по формуле (2.11):

при /2.11, с.79/

при z=L₀

при z=L

2.1.3.3 Определяем избыточное давление наружное давление при освоении скважины:

- в незацементированной зоне – по формулам (2.9) и (2.10):

при z=0 при

при z=H=1500м при

при z=h

в зацементированной зоне – по формуле (2.11):

при z=L₀

при z=L

Строим эпюру ABCDE (рисунок 5).

2.1.3.4 Определяем избыточное наружное давление по окончании эксплуатации:

- в незацементированной зоне – по формулам (2.9) и (2.10):

при z=0 при

при z=H=1500м при

при z=h

в зацементированной зоне – по формуле (2.11), где p_Hz в зоне эксплуатационного объекта принимаем по давлению гидростатического столба воды с удельным весом γ_Г_С=1,1*10⁴ Н/м³ :

при z=L₀

при z=5900 (p_нz=p_плz)

при z=5900 (p_нz=10^-6 * γ_ГС*z )

при z=L

Строим эпюру ABC’D’FF’G

Рисунок 5 – Эпюра наружных избыточных давлений

2.1.4 Построение эпюры избыточных внутренних давлений при испытании на герметичность в один прием без пакера

2.1.4.1 Избыточное внутреннее давление при испытании на герметичность в один прием без пакера определяем:

- в незацементированной зоне – по формуле (2.12):

при /2.12, с.80/

при z=0 p_ву=42,9 МПа (p_ву=39 МПа по п.2.1.1)

при z=h

- в зацементированной зоне – по формуле (2.13)

/2.12, с.80/

при z=L₀

при z=L

Строим эпюру ABCD (рисунок 6).

Рисунок 6- Эпюра внутренних избыточных давлений

Расчет избыточных наружных давлений производим по обобщенным значениям п. 2.1.3.3 (эпюра АВС’D’FE) для стадий освоения и окончания эксплуатации скважины, а внутренних для процесса испытания колонны на герметичность п.2.1.4.1 (эпюра ABCD):

p_HИL=45 МПа p_HИL*n₁=(45*1,2)МПа=54 МПа.

По прил.2 /1, с.111/ находим, что этому давлению соответствуют трубы группы прочности E с толщиной стенки δ=8,6 мм, для которых p_кр=63,4 МПа.

Длина 1-ой секции l₁=150м (100 м плюс 50 м выше кровли эксплуатационного пласта). Вес ее Q₁=(150*0,222)=33,3кН [q₁=0,222 /прил.12, с.150/].

По эпюре (рисунок 5) определяем расчетное давление p_ниz на уровне верхнего конца I-ой секции на глубине L₁=5850м; p_ниz=48МПа. Этому давлению при n₁=1,0 соответствуют трубы группы прочности E c δ=7,4 мм, для которых p_кр=50,3 МПа. Определяем значение p’_кр2 для труб 2-ой секции по формуле /2.38, с./ для условий двухосного нагружения с учетом растягивающих нагрузок от веса I-ой секции:

Этому значению соответствует глубина спуска 2-ой секции, равная =5800м, следовательно, уточненная длина I-ой секции

=(6000-5800)м=200м, а вес ее кН.

Для 3-й секции выбираем трубы группы прочности Д c δ=7,4 мм, p_кр=36,9 МПа. Это давление имеет место на глубине L₂=4400м. Следовательно, длина 2-й секции l₂=м, а вес ее

кН.

Определим величину по формуле 2.38 /1, с. / для условий двухосного нагружения с учетом значений растягивающих нагрузок от веса двух первых секций

Для полученного значения находим уточненную глубину спуска 3-й секции м и уточненную длину 2-й секции м, а вес ее кН.

4-ю секцию составляем из труб группы прочности Д с δ=6,4 мм p_кр=29,5 МПа, эти трубы могут быть установлены на глубине L₃=3500м,

l₃=м, а вес ее кН.

Для условия двухосного нагружения находим с учетом растягивающих нагрузок от веса трех секций

Уточненная глубина спуска 4-й секции , уточненная длина 3-й секции м, а вес ее

кН.

Длину 4-й секции выбираем из расчета на растяжение по формуле /2.49, с.1/, /прил.5, с.136/; .

кН.

Вес четырех секций

Определяем внутреннее давление для 4-й секции. Давление на уровне верхней трубы, расположенной на глубине L₄=(6000-200-1600-1700-439)=2061м, составляет p_ви2016=35 МПа.

По приложении 4/1, с.126/ p_т=37,3 МПа для δ=6,4 мм, запас прочности n₂= p_т/ p_виz=37,3/34=1,1.

Выбор типа вертлюга для бурения скважин глубиной 6000м 📙 Курсовая → 🆔 58561