книги / Техника и технология строительства боковых стволов в нефтяных и газовых скважинах

8.1.2. Выбор бурового насосного комплекса

Буровой насосный комплекс включает буровой насос с приводом, ком­ пенсаторы на входе и выходе, всасывающую и нагнетательную системы, которые принимают участие в процессах всасывания и нагнетания бурово­ го раствора, а также при выполнении вспомогательных работ, связанных с функционированием бурового насоса. Таким образом, являясь в опреде­ ленной степени независимыми, системы всасывания и нагнетания замыка­ ются на буровом насосе, что определяет необходимость их совместного вы­ бора.

Широкое применение буровых трехцилиндровых насосов односторонне­ го действия («триплекс») обеспечивается в силу устойчивых гидравлических характеристик и эксплуатационных преимуществ по сравнению с двухци­ линдровыми насосами двойного действия («дуплекс»). Одновременно с этим осуществлено внедрение тиристорного электропривода, обеспечиваю­ щего плавное регулирование подачи насосов. Снижение частоты хода поршня по сравнению с номинальным значением приводит к снижению расхода сменных деталей и узлов и к увеличению в целом долговечности насоса. Такая возможность обеспечивается за счет регулируемого привода и не может быть реализована при синхронном электроприводе. Дизельный привод также обладает невысокими регулировочными свойствами, а ди- зель-гидравлический привод имеет высокие регулирующие свойства, но при этом имеет место недоиспользование установленной мощности при­ вода.

Выбор насосной системы определяется следующими факторами:

—технологическими режимами работы забойного двигателя и телемет­ рической системы с гидравлическим каналом связи;

—потерями давления в нагнетательном коллекторе насоса и трением в механических элементах;

—потерями давления во всасывающем тракте насоса;

—видом привода, определяющего регулирующие свойства, т. е. возмож­ ностью изменения и выбора подачи бурового раствора.

Указанные факторы являются исходными для:

—выбора типоразмера бурового насоса и вида его привода;

—определения рациональных параметров и режимов эксплуатации вса­

сывающих систем буровых насосов.

Потери давления во всасывающей и нагнетательной системах бурового

насоса определяются:

— потерями давления на преодоление инерции прокачиваемого раство­ ра — инерционные потери давления;

—потерями давления на преодоление трения и различного рода сопро­ тивлений в гидравлическом тракте;

— потерями давления на преодоление упругости паров прокачиваемой

жидкости.

Выбор рациональных режимов нагружения бурового насоса в комплекте буровой установки (подъемного агрегата) в зависимости от параметров вса­ сывающей системы определяется:

—давлением и подачей буровых насосов;

—плотностью и температурой бурового раствора.

Рациональные режимы нагружения буровых насосов устанавливаются на основе сравнительного анализа системы таким образом, чтобы исключить отставание поступающего в цилиндры бурового раствора от поршня^ при его движении в цикле всасывания. При движении раствора из заборной ем­

кости к поверхности поршня действуют постоянно факторы, мешающие этому процессу: скорость потока, силы трения и сопротивления, упругость паров прокачиваемой жидкости и ее инерция.

Скорости движения поршня, влияющие на гидравлические потери дав­ ления, также достаточно высоки. Значения скорости и ускорения поршня и раствора достигают высоких значений в насосах «триплекс», имеющих по­ вышенную частоту хода поршня, по сравнению с насосами «дуплекс» (в 2—

2,5 раза выше).

Паспортная мощность буровых трехцилиндровых насосов односторон­ него действия реализуется при высоких скоростях, что приводит к сущест­ венным потерям давления на преодоление инерции прокачиваемого рас­ твора и к увеличенному расходу сменных деталей и уплотнительных уст­ ройств гидравлической части насоса.

Гидравлическая мощность бурового насоса определяется по формуле:

где Nr — гидравлическая мощность бурового насоса, Вт; QH— подача насо­ са, м3/с; Рн — давление жидкости на выходе из насоса, МПа.

Мощность, потребляемая буровым насосом, определяется по формуле

где Nn — мощность, потребляемая буровым насосом, Вт; г|н — общий к.п.д. насосного агрегата.

Для провеления практических расчетов т|н принимается равным 0,8. Насосная система должна иметь резервный буровой насос для проведе­

ния промывки БС с повышенным расходом промывочной жидкости.

Рекомендации для выбора режима загрузки буровых насосов. Для обеспе­ чения заданной изготовителем долговечности силовых агрегатов и узлов насоса коэффициент загрузки по давлению рекомендуется принимать: для насосов «дуплекс» — 0,64—0,70; для насосов «триплекс» — 0,81.

Скоростной режим бурового насоса определяется преимущественно тре­ бованиями рациональной долговечности сменных деталей (узлов) гидрав­ лической части насоса, а также параметрами и режимами нагружения вса­ сывающей системы насоса, при этом коэффициент скорости (частоты хода поршня) рекомендуется принимать: для насосов «дуплекс» — 0,8—1,0; для насосов «триплекс» — 0,4—0,6.

В целом загрузку бурового насоса по мощности при его длительной ра­ боте рекомендуется принимать: для насосов «дуплекс» — 0,5—0,7; для насо­ сов «триплекс» — 0,4—0,5.

8.2. Оснащенность буровых установок (подъемных агрегатов)

Буровая установка (подъемный агрегат) должна быть укомплектована:

—ограничителем высоты подъема талевого блока;

—ограничителем допустимой нагрузки на крюке;

—блокирующими устройствами по отключению привода буровых насо­ сов при превышении давления в нагнетательном трубопроводе на 10— 15 % выше максимального рабочего давления насосов для соответст­ вующего диаметра цилиндровых втулок;

—станцией (приборами) контроля параметров бурения;

—приемным мостом с горизонтальным участком длиной не менее 10 м, шириной — не менее 2 м и стеллажами;

—механизмами для приготовления, обработки, утяжеления, очистки, дегазации и перемешивания бурового раствора, сбора шлама и отра­ ботанной промывочной жидкости при безамбарном бурении;

—устройством для осушки воздуха, подаваемого в пневмосистему управ­ ления буровой установки (подъемным агрегатом);

—успокоителем ходового конца талевого каната;

—приспособлением (поясом) для А-образных мачт и вышек с открытой передней гранью, предотвращающим падение устанавливаемых (уста­ новленных) за палец свечей;

—приемными емкостями с общим объемом не менее 40 м3;

—градуированной мерной емкостью с уровнемером для контролируемо­ го долива скважины.

Резервный запас бурового раствора должен находиться на скважине или на растворном узле.

Буровые установки (подъемные агрегаты), в т.ч. импортные, должны быть выполнены во взрывозащищенном варианте.

Буровые установки (подъемные агрегаты) должны оснащаться верхним приводом при бурении горизонтального участка бокового ствола скважины длиной более 300 м в скважинах глубиной по вертикали более 3000 м.

Верхний силовой привод должен быть совместим со средствами механи­ зации спуско-подъемных операций.

Элементы верхнего привода (направляющие балки, модуль исполни­ тельных механизмов т. д.) не должны создавать помех для ведения других технологических операций.

Грузоподъемность верхнего привода должна соответствовать грузоподъ­ емности буровой установки.

Конструкция верхнего привода должна предусматривать наличие систе­ мы противофонтанной арматуры, датчиков положения исполнительных ме­ ханизмов, скорости вращения стволовой части и момента вращения.

В состав наземного оборудования буровых установок должны входить блоки очистки и приготовления бурового раствора отечественного или им­ портного производства.

Блок очистки и приготовления бурового раствора комплектуется:

—линейным виброситом;

—пескоотделителем;

—илоотделителем;

—центрифугой, особенно в случае применения телесистемы с гидравли­ ческим каналом связи;

—приемной воронкой.

Пропускная способность блока — 22 л/с. Объем емкостей — 22—35м3.

Высота устья скважины — 1,8—2,0 м.

Блок очистки и приготовления бурового раствора может оснащаться до­ полнительной приемной емкостью объемом до 6 м3 и высотой 0,8—1,5 м с

бессальниковым насосом.

Возможно применение автономных мобильных насосных установок с системой очистки бурового раствора, которая предназначена для подачи бурового раствора под давлением в скважину с целью привода забойного двигателя и обеспечения циркуляции, а также для очистки раствора от вы­

буренной породы в процессе бурения.

Данная установка применима для работы телесистем с кабельным кана­ лом связи и с электромагнитным каналом связи.

Для работы телесистем с гидравлическим каналом связи буровые насосы должны иметь компенсаторы, эффективно снижающие уровень помех.

8.3. Оборудование устья скважины

При проведении работ по реконструкции скважины, а при необходимо­ сти и исследовательских работ, устье скважины должно быть оборудовано противовыбросовым оборудованием. Устье скважины вместе с ПВО долж­ но быть опрессовано на давление, превышающее на 10 % максимально воз­ можное пластовое давление во вскрытом стратиграфическом разрезе.

Выбор оборудования устанавливается проектом применительно к харак­ теру и видам планируемых работ по реконструкции скважины с учетом обеспечения безопасности в процессе проходки нового ствола (ПБ 08—

624-03).

При проведении работ по ремонту скважины путем бурения БС с воз­ можным газонефтепроявлением, на период ремонта устье должно быть ос­ нащено противовыбросовым оборудованием. Схема установки и обвязки противовыбросового оборудования разрабатывается организацией-подряд- чиком и согласовывается с территориальными органами Ростехнадзора и противофонтанной службой. После установки противовыбросового обору­ дования скважина опрессовывается на максимально ожидаемое давление, но не выше давления опрессовки эксплуатационной колонны.

Ремонт скважины путем бурения БС, где исключена возможность газонефтепроявления (месторождение на поздней стадии разработки, аномаль­ но низкие пластовые давления на нефтяных месторождениях с незначи­ тельным газовым фактором и др.), разрешается проводить без превенторной установки. Типовая схема оборудования устья таких скважин (подвес­ ной фланец с прикрепленным уплотнительным кольцом с задвижкой и патрубком или другие варианты) должна быть согласована с территориаль­ ными органами Ростехнадзора и противофонтанной службой.

8.4. Схема размещения наземного оборудования

Строительство БС начинается с подготовки рабочей площадки и фунда­ ментов для расстановки буровой установки (подъемного агрегата). Площад­ ка подсыпается песком и выравнивается. Соседние скважины останавлива­ ются и накрываются специальными защитными экранами (от попадания грязи и падения на них мелких предметов). Если работам мешают станкикачалки или кабельная эстакада, то они демонтируются.

Примерная схема расположения комплекта оборудования подъемного агрегата и элементов системы очистки бурового раствора приведена на

Конкретная расстановка комплекта оборудования зависит от расположе-

п^\Я На теРРитоРии кустовой площадки оборудования по добыче нефти, ЛЭП и других коммуникаций.

Основные требования, предъявляемые к комплекту бурового оборудова-

— грузоподъемность подъемника (не менее 100 т), высота мачты 34 м;

~ 10^—^ 2 ПР° ИЗВ0ДИТеЛЬН0СТЬЮ не менее 18 л/° ПРИ Давлении

система очистки не менее трех ступеней, позволяющая удалять части

Т а б л и ц а 9.1. Допустимые депрессии и внутренние давления в обсадных колоннах

Примечание . коэффициент запаса прочности на смятие 1,3. **Коэффициент запаса прочности на разрыв под воздействием внутреннего давления 1,5.

глинистой корки толщиной от 3 до 12 мм градиент давления прорыва воды составляет, соответственно, 1,8—0,6 МПа на 1 м. При наличии на корке пленки нефти давление резко уменьшается. При отсутствии корки между стенкой трубы и цементным камнем прорыв воды происходит при градиен­ те давления свыше 7 МПа/м. Герметичность моста в значительной мере за­ висит также от условий и способа его установки. Например, корка при твердении цементного раствора обезвоживается, в ней появляются трещи­ ны. В связи с этим высоту цементного моста следует корректировать, ис­ пользуя следующую формулу:

где Рм— максимальная величина перепада давления, действующего на мост при его эксплуатации, МПа; [АР\ — допустимый градиент давления проры­ ва флюида по зоне контакта моста со стенкой скважины, который опреде­ ляют в зависимости от способа установки моста и применяемых тампонаж­

ных материалов, МПа.

Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (9.1) и (9.2), выбирают наибольшее значение.

Ориентировочные значения [тм\ и [АР\ при установке мостов через зали­ вочную колонну с применением раствора из портландцемента в зависимо­ сти от технологии установки приведены в табл. 9.2.

Цементные мосты должны быть достаточно прочными. Практика работ показывает, что если при испытании на прочность мост не разрушается при создании на него удельной осевой нагрузки 3—6 МПа и одновремен­ ной промывке, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как

Таблица 9.2. Ориентировочные значения [т„] и [ДР| при установке мостов

забуривания нового ствола, так и нагружения от действия силы тяжести ко­ лонны труб или испытателя пластов.

При установке мостов для забуривания нового ствола к ним предъявля­ ется дополнительное требование по высоте. Это обусловлено тем, что проч­ ность верхней части Н, моста должна обеспечить возможность забуривания

нового ствола с допустимой интенсивностью искривления, а нижняя часть Н0— надежную изоляцию старого ствола.

Данное требование определяется по формуле:

где Rc — радиус искривления ствола.

Верхняя часть моста часто бывает непрочной, рыхлой за счет водоотстоя и смешивания с буровым раствором.

Опыт бурения и эксплуатации скважин показывает, что оптимальная ве­ личина интенсивности искривления ствола составляет Г на 10 м, что соот­ ветствует радиусу искривления 573 м. Величину Нд определяют из условий

(9.1) и (9.2).

В практике установки цементных мостов применяют следующ ие спо­ собы:

—закачивание тампонажного раствора в интервал формирования моста при уравновешивании его столбов в заливочных трубах и кольцевом пространстве (балансовый способ);

—закачивание цементного раствора в интервал установки моста под давлением;

—с использованием цементировочной желонки.

При распространенном балансовом способе в колонну заливочных труб, спущенную до глубины, соответствующей подошве моста, после промывки закачивают тампонажный раствор. Высота подъема раствора в кольцевом пространстве производится до расчетной высоты (с учетом объема труб). Затем заливочные трубы поднимают до кровли моста и прямой или обрат­ ной промывкой вымывают излишек тампонажного раствора.

9.2. Определение необходимых объемов цементного раствора, продавочной и буферной жидкостей

Если при установке цементных мостов не используются средства кон­ троля за положением уровня тампонажного раствора в трубах, то расчет по­ требных объемов цементного раствора Уц и продавочной жидкости Vnp про­ изводится по следующим формулам:

где AV — относительный объем тампонажного раствора, оставляемого в за­ ливочной колонне, который рассчитывается по формуле:

проходного сечения в кольцевом пространстве и в трубах в интервале уста­ новки моста, м2; VTP — внутренний объем заливочной колонны, м3; С — ко­ эффициент, учитывающий несоответствие между расчетными и фактиче­ скими объемами заливочной колонны; при использовании бурильных и на­ сосно-компрессорных труб С = 1,00; в случае применения обсадных труб С= 1,03; С0 — коэффициент, учитывающий случайные ошибки при продавливании тампонажного раствора в скважину; если средства контроля за движением жидкостей не используются, то С0 = 0,03-0,04, если использу­ ются — С0 = 0; С/, С2, С3— коэффициенты, учитывающие потери тампо­ нажного раствора, соответственно, на стенках труб и при смешивании с со­ седней жидкостью на I и II границах (табл. 9.3); при установке мостов с ис­ пользованием верхней и нижней разделительных пробок коэффициенты С,, С2 и С3 принимаются равными нулю; при использовании только верх­ ней пробки нулю равны С, и С3.

При установке моста без разделительной пробки или второй порции бу­ ферной жидкости необходимо выполнить условие

ДУ > 0,065. (9.7)

В случае без применения средств контроля за движением тампонажного раствора условие имеет вид:

д у > 0,048. (9.8)

При установке мостов с использованием верхней разделительной пробки

исредств контроля за ее движением условия (9.4) и (9.5) не учитываются. Объем I порции буферной жидкости, закачиваемой перед тампонажным

раствором, рассчитывается по формуле:

Объем II порции, нагнетаемой после цементного раствора, определяется по формуле:

где С4и С5— коэффициенты (табл. 9.3).

Величина VHвходит в общий объем продавочной жидкости VI1P.