Проверочные расчеты. 
Бурение поисково-разведочной скважины на месторождении каменного угля

Расчет потребной мощности для бурения на предельную глубину Мощность двигателя станка рассчитывается по формуле (4).

(4).

где — мощность двигателя, расходуемая на забое скважины, кВт; - мощность, расходуемая на забое скважины, кВт; - мощность, затрачиваемая на вращение КБТ в скважине, кВт; - мощность, расходуемая в трансмиссии и других узлах бурового станка.

Мощность, затрачиваемая на забое, при твердосплавном бурении рассчитывается по формуле (5).

(5).

где Р — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, даН; - - коэффициент трения резцов коронки о породу забоя ((для известняков) = 0,3), n — частота вращения бурового снаряда, об/мин; Dср — средний диаметр коронки, м.

Для расчета среднего диаметра коронки используется формула (6).

(6).

Где Dн — наружный диаметр коронки по резцам, м; Dвн — внутренний диаметр коронки по резцам, м.

Для расчета мощности на вращение КБТ в скважине (кВт) используется формула (7).

(7).

где — мощность, затрачиваемая на холостое вращение КБТ, кВт; - дополнительная мощность, затрачиваемая на вращение сжатой части КБТ, кВт.

Дополнительная мощность, затрачиваемая на вращение сжатой части КБТ рассчитывается по формуле (8).

(8).

где д — радиальный зазор, м.

Радиальный зазор рассчитывается по формуле (9).

(9).

где D — диаметр скважины, м; d — наружный диаметр бурильных труб, м.

Мощность, затрачиваемая на холостое вращение КБТ (кВт) рассчитывается по формуле (10).

(10).

где К1- коэффициент, учитывающий влияние промывочной жидкости, К1 = 1,2 (для глинистого раствора); К2 — коэффициент, учитывающий особенности стенок ствола скважины, при бурении в трещиноватых, разрушенных, кавернозных породах, K2 = 2 (для трещиноватых пород); К3 — коэффициент, учитывающий материал труб, для стальных труб, К3 = 1 (для стальных труб); К4 — коэффициент, учитывающий тип соединения бурильных труб, для ниппельного соединения — 1,1; К5 — коэффициент, учитывающий кривизну бурильных труб, К5 = 1;L — глубина скважины, м; q — масса одного метра бурильных труб, кг; n — частота вращения бурового снаряда, об/мин; EI — вспомогательный коэффициент, для труб;ц — угол наклона скважины к горизонту, для вертикальной скважины — 90°.

Мощность, расходуемая в трансмиссии и других узлах бурового станка, рассчитывается по формуле (11).

(11).

где Nдв — мощность электродвигателя для привода бурового станка. кВт; для станка типа СКБ-4 Nдв = 22 кВт.

Пример расчетов для выбранной установки.

Для установки СКБ-4: n=280 об/мин, P = 400 даН.

Мощность двигателя при бурении:

Таким образом, мощность, затрачиваемая на бурение, не превышает мощности электродвигателя для привода станка СКБ-4 (22 кВт).

Оснастка талевой системы Талевая система применяется для производства спускоподъемных операций, когда нагрузка на крюк Gкр от веса бурового снаряда или обсадной колонны превышает грузоподъемность лебедки бурового станка Рл.

Для выбора оснастки талевой системы рассчитывают количество подвижных ветвей каната в оснастке. Расчет проводится по формуле (12).

(12).

где — нагрузка на крюк при подъеме бурового снаряда, Н; - грузоподъемность лебедки, Н; - к.п.д. талевой системы.

Нагрузка на крюк при подъеме бурового снаряда рассчитывается по формуле (13).

(13).

где — коэффициент, учитывающий наличие влияние резко искривленных участков ствола скважины, влияние кривизны самой колонны бурильных труб, влияние состояния ствола скважины, т. е. всех тех факторов, которые вызывают дополнительные сопротивления при подъеме бурового снаряда из скважины,; L — длины колонны бурильных труб, м; - длина сжатой части колонны, м; - масса 1 м колонны бурильных труб в сборе, кг/м; - масса 1 м труб, весом которых создается требуемая нагрузка на породоразрушающий инструмент, кг/м; - плотность промывочного агента, кг/м3; - плотность материала труб, кг/м3 (; - средний зенитный угол скважины, градус;; - начальный и конечный зенитные углы скважины; - коэффициент трения бурильных труб о породу; g = 9,81 м/с2.

Длина сжатой части колонны бурильных труб рассчитывается по формуле (14).

(14).

где P — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, Н.

Расчет к.п.д. талевой системы проводится по формуле (15).

(15).

где n — к.п.д. одного шкива в блоках (n = 0,98).

С целью сокращения времени на спуско-подъемные операции оснастку талевой системы следует применять с определенной глубиной, которая может быть найдена по формуле (16) при m = 1. До этой глубины спуск может производиться на прямом канате.

(16).

Расчет мощности двигателя на подъем бурового снаряда проводится по формуле (17).

(17).

где — нагрузка на крюк, Н; - скорость подъема крюка, м/с; - коэффициент полезного действия передач от двигателя до крюка, — коэффициент полезного действия передач от двигателя до барабана лебедки, , — коэффициент полезного действия талевой системы; - коэффициент перегрузки двигателей, для электродвигателей .

Скорость подъема крюка рассчитывается по формуле (18).

(18).

где, — скорость навивки каната на барабан, м/с, принимается из технической характеристики бурового станка.

Для определения рационального режима подъема бурового снаряда рассчитывается длина бурового снаряда, которая может быть рассчитана по формуле (19).

(19).

где N — номинальная мощность двигателя, Вт; - нагрузка на крюке от 1 м поднимаемого бурового снаряда, Н/м,, где — нагрузка на крюк, Н; L-общая длина бурового снаряда, м.

Длина бурового снаряда, который может быть поднят на первой скорости работы лебедки, рассчитывается по формуле (20), аналогичным образом находятся длины буровых снарядов, которые могут быть подняты на второй и третьей скоростях лебедки.

;. (20).

Пример расчетов для выбранной оснастки талевой системы.

Длина сжатой части колонны бурильных труб рассчитывается по формуле (14) при g = 9,81 м/с2;;;;,.

.

Расчет нагрузки на крюк по формуле (13) при, , ,;

таким образом, подъем колонны бурильных труб при значительной глубине производится с оснасткой талевой системы. Расчет количества подвижных ветвей каната в оснастке проводится по формуле (12) при.

Таким образом, используется оснастка 1Ч2, то есть, спуск на прямом канате. Спуск бурового снаряда может производится на прямом канате до определенной глубины, которую можно рассчитать по формуле (16):

Скорость подъема крюка рассчитывается по формуле (18) при.

Расчет мощности двигателя на подъем бурового снаряда проводится по формуле (17) при.

Расчет длины бурового снаряда на различных скоростях для определения рационального режима подъема бурового снаряда проводится по формуле (19) при :

Таким образом, длины буровых снарядов, которые могут быть подняты на каждой из четырех работы лебедки и необходимое количество свечей, рассчитываются по формуле (20).

; ;

; .

; .

; .

Всего в колонне бурильных труб 42 свечи, которые должны быть подняты при условии полного использовании мощности двигателя.

Определение давления нагнетания буровых насосов Расход промывочной жидкости при бурении должен обеспечивать полнуюотчистку забоя от разрушенной породы и вынос ее на поверхность. Расход промывочной жидкости рассчитывается по формуле (21).

(21).

где k — коэффициент, учитывающий неравномерные скорости потока промывочной жидкости по скважине из-за местной повышенной разработки стенок скважины, наличия каверн и др., k =1,1−1,3; D — диаметр скважины, м, D = 0,076 м; d — наружный диаметр бурильных труб, м, d = 0,055 м; - скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины, для бурения твердосплавными коронками = 0,3 — 0,6 (м/с).

В соответствии с технической характеристикой насоса НБЗ-120/40 количество промывочной жидкости берём равное 120 л/мин (0,002).

Давление, развиваемое насосом должно быть достаточным для преодоления гидростатических сопротивлений и гидростатических сил в циркуляционной системе скважины при прокачивании жидкости в заданном количестве. Циркуляционная система включает в себя: обвязку насоса, бурильные трубы, кольцевое пространство, колонковый снаряд, породоразрушающий инструмент. Общее потребное давление, которое должен развивать насос рассчитывается по формуле (22).

(22).

где — коэффициент, учитывающий необходимость запаса давления на преодоление дополнительных сопротивлений сальников и т. п. (k = 1,31,5); -давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в нагнетательном шланге, сальнике, ведущей трубе, бурильных трубах, МПа; - давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в соединениях бурильной колонны, МПа; - давление на преодоление сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве скважины, МПа; - давление в колонковом снаряде, коронке или долоте, МПа; - давление, равное перепаду в гидроударнике в случае применения гидроударно-вращательного способа бурения, МПа.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных трубах, нагнетательном шланге, сальнике и в ведущей трубе рассчитывается по формуле (23).

(23).

где л1 — безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; - плотность промывочной жидкости, кг/м3, =1050 кг/м3 — для нормального глинистого раствора; - внутренний диаметр бурильных труб, м, = 0,036 м; - длина колонны бурильных труб, м; - эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в ЛБТН, нагнетательном шланге, сальнике, ведущей трубе, м; - средняя по сечению канала потока скорость движения жидкости, м/с.

Средняя по сечению канала потока скорость движения жидкости рассчитывается по формуле (24).

(24).

где — расход промывочного агента (подача насоса), .

Значение коэффициента при промывке скважины водой и другими маловязкими жидкостями производится по универсальной приближенной формуле А. Д. Альтшуля (25).

(25).

где — гидравлическая или эквивалентная шероховатость, м,; - эквивалентный диаметр канала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб);Re — параметр Рейнольдса, рассчитываемый по формуле (26)при промывке глинистыми растворами.

(26).

где — эффективная вязкость глинистого раствора, Па, определяемая по формуле (27).

(27).

где — коэффициент структурной вязкости, Пас; - динамическое напряжение сдвига, Па.

При величина коэффициента рассчитывается по формуле Стокса (28).

(28).

При величина коэффициента рассчитывается по формуле Р. И. Шищенко (29).

(29).

Расчет эквивалентной длины бурильных труб проводится по формуле (30).

(30).

где , — длины шланга, ведущей трубы и сальника соответственно, м; ,-диаметры шланга, ведущей трубы и сальника соответственно, м.

Пример расчета давления на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных, утяжеленных трубах, нагнетательном шланге, сальнике и в ведущей трубе:

Средняя по сечению канала потока скорость движения жидкости рассчитывается по формуле (24)при, :

Эффективная вязкость глинистого раствора рассчитывается по формуле (27) при,.

Параметр Рейнольдса, рассчитываемый по формуле (26)при промывке глинистыми растворами при.

1840.

Поскольку величина коэффициента рассчитывается по формуле Стокса (28):

Расчет эквивалентной длины бурильных труб проводится по формуле (30) при = 10 м; = 0,5 м; =3 м; =0,038 м; =0.046 м; =0,046 м; =.

Таким образом, давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных, утяжеленных трубах, нагнетательном шланге, сальнике и в ведущей трубе по формуле (23) принимает следующие значения:

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении промывочной жидкости в соединениях бурильной колонны рассчитывается по формуле (31).

(31).

где n — количество соединений в колоне бурильных труб, шт, рассчитываемый по формуле (32); - безразмерный коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б. С. Филатова (33).

(32).

где — длина скважины, м; - длина одной трубы;

(33).

где — наименьший диаметр проходного отверстия в бурильной колонне, м, =0,028 м;а — опытный коэффициент, зависящий от вида соединения бурильной колоны, при муфто-замковом соединении, а = 2.

Пример расчета давления на преодоление гидравлически…

В зависимости от изменения текущего направления скважины могут быть прямолинейными и искривленными.

Прямолинейными называют скважины, которые сохраняют свое первоначальное положение, заданное при заложении, с незначительными изменениями по сравнению с запроектированным.

Искривленными являются скважины, которые изменяют в процессе бурения свое текущее направление относительно заданного при заложении. При этом изменение только зенитных углов в процессе бурения скважины вызывает ее зенитное искривление, оно происходит только в одной — вертикальной плоскости и через ось такой скважины можно провести только одну апсидальную плоскость. Изменения только азимутальных углов вызывает азимутальное искривление скважин.

Области применения направленного бурения скважин весьма разнообразны.

Наиболее значимыми для целей направленного бурения являются:

• -месторождения с благоприятными условиями для проектирования трасс (типовых, комбинированных, индивидуальных) глубоких скважин и с возможностями применения методов оперативного управления процессом их направленного бурения;
• -разрезы с неустойчивыми, обрушающимися, многолетнемерзлыми и другими породами, в которых рационально проектирование вертикальных и вертикально-наклонных скважин (в т. ч. с использованием высоких мачт, вышек) для снижения времени спуско-подъемных операций;
• -районы с гористым, таежным, болотистым и другим сложным рельефом или местностью, районы с плотным расположением промышленных зданий и сооружений, а также действующих или выработанных горных выработок, для обхода которых нужно проектировать индивидуальные трассы скважин и специальные многоствольные скважины;
• -проверка аномальных зон, установленных геофизическими методами, в т. ч. между ранее пробуренными скважинами или пройденными горными выработками;
• -доразведка и сгущение разведочных сетей (в основном, когда ранее пробуренные скважины использовать затруднительно), а также доразведки в процессе эксплуатации месторождений; бурение вертикальных или наклонных скважин специального и технического назначения (под стволы горных выработок, вентиляционные, спасательные, гидрогеологические и др.);
• -бурение горизонтальных, восстающих скважин и другие случаи.

Многоствольные скважины должны проходиться прежде всего для обеспечения проектной плотности разведочной сети (обычные скважины) и для повышения геологической информативности и достоверности оценки и содержания рудной зоны (многоствольно-кустовые) с одновременным сокращением объемов бурения и других сопутствующих работ; такая методика должна предусматриваться при проектировании с первых этапов работ; для проверки аномальных зон и проявлений, установленных скважинными геофизическими методами в межскважинных пространствах путем бурения дополнительных стволов из бурящихся или ранее пробуренных скважин; поиски слепых и оконтуривание рудных тел сложных структур и морфологии, особенно глубокозалегающих; исследование состава, структуры, трещиноватости и других факторов вмещающих горных пород в районах заложения крупных глубоких эксплуатационных горных выработок (например, Северо-Уральский бокситоносный, Норильский районы и др.); прослеживание на глубину крутопадающих рудных тел, зон и аномалий, установленных в поверхностных областях с целью строительства более крупных и экономичных горных выработок; отбор технологических проб значительной массы на больших глубинах для замены проходки дорогостоящих горных выработок, обеспечивающих значительное снижение затрат времени и средств; обход интервалов аварий, осложнений, горных выработок, соединение горных выработок и т. п.