Выбор типа вертлюга для бурения скважин глубиной 6000м

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_ГС=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.