Автор выражает признательностъ dra3ПPDI и благодарность ПАО «Газпром» за поддержку и участие в издании настоящего учебного пособия для студентов ВУЗов нефтегазового профиля S.L. Simonyants DRILLINGOF WELLS WITH HYDRAULIC DOWNHOLE MOTORS А Textbook '.е.·· ., ,.,..\. ..' И:щАТF.ЛЬСКИЙ ЦЕНТР РГУ нефти в 1'838 (НИУ) имени И.М. Губана 2018 С.Л. Симоняиц БУРЕНИЕ СКВАЖИН ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Учебное пособие Рекомендовано Ученым советом РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.МГубкина в качестве учебного пособия для студентов образовательных организаций высшего образования, обучающихся по направлению подготовки 21.03.01 Нефтегаэовое дело •.. ~.~ ~ ~ .. ИЩТЕJIЪСКИЙ ЦЕНТР РГУ нефти н rаза (НИУ) вмени И.М. Губкина 1018 У ДК 622.1 (075.8) ББК 33.131.115 я73 С37 Рецензенты: д-р тех н. наук, nрофессор, директор Института нефти, газа и энергетики Кубанского государственного технологического университета Д.Г. ANmoNuaдu; д-р техн. наук, nрофессор, начальник отдела научно-инженерного сопровождения ОАО Научно-производственное объединение ~Буровая техника» А.М. Гусма11 СимоняiЩ С.Л. С37 Бурение скважин гидравлическими забойными двигате- лями. Уче6ное пособие. - М.: Российский государствен­ ный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губки­ на, 2018. - 208 с.: ил. ISBN 978-5-91961-301-5 В учебном пособии изложена основная информация о технологи­ ях и технических средствах бурения скважин гидравлическими за­ бойными двигателями. Приводятся общие сведения о современных способах бурения нефтегазовых скважин. Рассмотрен исторический аспект создания турбобуров и винтовых забойных двигателей. Пред­ ставлены актуальные технические и энергетические характеристики турбобуров и винтовых забойных двигателей, рассмотрены их клас­ сификация и технологические требования. Показаны особенности применения буровых долот, комnоновок бурильной колонны, выбора параметров режима бурения и промывки скважины при работе гид­ равлических забойных двигателей. Рассмотрены вопросы рациональ­ ного выбора и применения гидравлических забойных двигателей при бурении и ремонте вертикальных и наклонных скважин. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки •Нефтегазовое дело,., равно как и для студентов других наnравлений, изучающих технологию бурения нефтяных и газовых скважин. Оно также может бьrrь рекомендовано магистрантам, аспирантам, научным работникам и инженерно-техническим специалистам, работающим в области строительства нефтегазовых скважин. Данное издание является собственностью РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина и его репродуцирование (воспроизведение) любыми сnособами без согласия университета запрещается. УДК 622.1(075.8) ББК 33.131.115 и73 ISBN 978-S-91961-301-5 © Симоняиц С.Л., 2018 ©Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 20f8 ©Голубев В.С., оформление серии, 2007 Оглавление ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1 . ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН . .13 2 . СОЗДАНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 Классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 Показатели назначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Общие технологические требования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 4 . ТУРБОБУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Конструктивная схема турбобура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Гидромеханика турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Основные типы турбин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Энергетическая характеристика турбобура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 Производители турбобуров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 5 . ВИНТОВЫЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 Конструктивная схема винтового забойного двигателя . . . . . . . . . . . .59 Гидромеханика винтовой пары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Основные типы винтовых пар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Энергетическая характеристика винтового забойного двигателя . . .71 Производители винтовых забойных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . .78 6 . ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ . . . . .80 Гидравлические забойные двигатели для искривления ствола скважины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 Опорно-центрирующие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 Определение геометрических параметров ГЗД-отклонителя . . . . . . .86 7 . БУРОВЫЕ ДОЛОТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 Трехшарошечные долота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Безопорные долота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 Применение долот с гидравлическими забойными двигателями . . . .96 Параметры режима бурения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5 Показатели работы долот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 8 . ПРОМЫВКА СКВАЖИНЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 Расход и плотность бурового раствора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 Гидравлическая программа промывки скважины . . . . . . . . . . . . . . .112 Свойства буровых растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 9 . БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Состав бурильной колонны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 Условия работы бурильной колонны в скважине . . . . . . . . . . . . . . .125 10 . РАБОТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СКВАЖИНЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128 Устойчивость работы гидравлического забойного двигателя . . . . .128 Управление работой гидравлического забойного двигателя . . . . . . .133 Выбор энергетических параметров гидравлических забойных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 11 . ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ БУРЕНИИ И РЕМОНТЕ СКВАЖИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 Бурение вертикальных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 Бурение наклонных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 Бурение горизонтальных стволов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Бурение стволов большого диаметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Капитальный ремонт скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 Основы технико-экономического анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 12 . СЕРВИС ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ . . . .162 Сервисное обслуживание буровых предприятий . . . . . . . . . . . . . . . .162 Эксплуатация гидравлических забойных двигателей на буровой . .165 Аварии с гидравлическими забойными двигателями . . . . . . . . . . . .168 Ремонт гидравлических забойных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 ПРИЛОЖЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 Научные труды первых создателей техники и технологии бурения скважин гидравлическими забойными двигателями . . . . . . . . . . . . .203 Современная литература по технике и технологии бурения . . . . . .203 Интернет-сайты основных производителей буровых долот и гидравлических забойных двигателей: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ БК — бурильная колонна БТ — бурильные трубы БУ — буровая установка ВЗД — винтовой забойный двигатель ВНИИБТ — Всесоюзный научно-исследовательский институт буро- вой техники ВСП — верхний силовой привод ГЗД — гидравлический забойный двигатель ГВЗД — гидровинтовой забойный двигатель ГНКТ — гибкие насосно-компрессорные трубы ГТЗД — гидротурбинный забойный двигатель ЗИП — запасные части, инструмент, приспособления КИП — контрольно-измерительные приборы КМЗ — Кунгурский машиностроительный завод КНБК — компоновка низа бурильной колонны КПД — коэффициент полезного действия КРС — капитальный ремонт скважин ЛБТ — легкосплавные (алюминиевые) бурильные трубы НКТ — насосно-компрессорные трубы ПАВ — поверхностно-активное вещество ПФ ВНИИБТ — Пермский филиал ВНИИБТ РУО — раствор на углеводородной основе СБТ — стальные бурильные трубы СПО — спуско-подъемная операция ТВЗД — турбовинтовой забойный двигатель УБТ — утяжеленные бурильные трубы ЭКТБ — Экспериментальная контора турбинного бурения API — American Petroleum Institute – Американский нефтяной институт – раз- работчик международных стандартов в области нефти и газа IADC — International Association of Drilling Contractors – Международ- ная ассоциация буровых подрядчиков MWD — Measurement While Drilling (измерение при бурении) – забой- ная телеметрическая система PDC — Polycrystalline Diamond Cutter – безопорное долото с алмаз- но-твердосплавными резцами 7 В учебном пособии приняты следующие обозначения параме- тров и показателей: Ед. Обозна- Наименование изм. чение Крутящий момент Н·м M Тормозной крутящий момент ГЗД Н·м M т об/мин Частота вращения n (с-1) об/мин Частота вращения на холостом режиме ГЗД n (с-1) х Частота вращения на режиме максимальной об/мин n мощности ГЗД (с-1) э Перепад давления на ГЗД МПа P Максимальный перепад давления на ГЗД МПа P max Перепад давления на режиме максимальной МПа P мощности ГЗД э Перепад давления на холостом режиме ГЗД МПа P х Перепад давления на тормозном режиме ГЗД МПа P т кВт Механическая мощность ГЗД N (л .с .) кВт Максимальная механическая мощность ГЗД N (л .с .) м % КПД ГЗД η (доли ед .) % Максимальный КПД ГЗД η (доли ед .) м % Гидромеханический КПД ГЗД η (доли ед .) гм % Объемный КПД ГЗД η (доли ед .) об Утечка жидкости через уплотнения шпинделя ГЗД л/с q Количество ступеней турбины шт . Z Средний радиус турбины мм r Проекция абсолютной скорости жидкости на м/с C направление окружной скорости ротора турбины u Эффективный напор жидкости на турбине м H эф Эффективный перепад давления на турбине Па P эф 8 Эффективная мощность турбины м N эф Окружная скорость ротора турбины м/с U Диаметр начальной окружности статора ВЗД мм D Длина шага ротора ВЗД м t Эксцентриситет рабочего органа ВЗД мм e Число зубьев ротора ВЗД - Z 1 Число зубьев статора ВЗД - Z 2 Кинематическое отношение (заходность) рабочего - I органа ВЗД Дифференциальный перепад давления на ВЗД МПа P диф Дифференциальный перепад давления на режиме МПа P максимальной мощности ВЗД диф э Крутящий момент на режиме максимальной Н·м M мощности ВЗД э Перекашивающий момент ВЗД Н·м M п м3/с Расход бурового раствора Q (л/с) м3/с Подача бурового насоса Q (л/с) н Давление на выходе бурового насоса МПа P н Коэффициент наполнения бурового насоса - m н Плотность жидкости (бурового раствора) кг/м3 ρ Удельный вес жидкости (бурового раствора) кгс/м3 γ м Диаметр скважины D (мм) с м Диаметр долота D (мм) д Коэффициент, зависящий от типа долота - a д Осевая нагрузка на долото кН G Крутящий момент на долоте Н·м M д Перепад давления на долоте МПа P д кВт Механическая мощность на долоте N (л .с .) дм кВт Гидравлическая мощность на долоте N (л .с .) дг Механическая скорость проходки м/ч V м 9 Рейсовая скорость бурения м/ч V р Общая проходка в интервале м H Количество долот, отработанных в интервале шт . N д Общее время механического бурения ч T б Проходка на долото (за долбление, за рейс) м h Время работы долота ч t б Общее время спуско-подъемных операций ч T сп Среднее время одной спуско-подъемной операции ч t сп Темп искривления ствола скважины град/м i Стоимость (цена) долота руб B Полная стоимость (цена) безопорного долота руб B ц Ресурс безопорного долота ч T р Стоимость часа работы буровой установки руб/ч R Стоимость (цена) ГЗД руб С гзд Стоимость ремонта ГЗД руб C рем Стоимость часа аренды ГЗД руб/ч R гзд Стоимость эксплуатационных затрат ГЗД руб R* гзд Наработка на отказ (межремонтный период ч T работы) ГЗД мрп Наработка до списания (долговечность) ГЗД ч T рес Моторесурс ГЗД ч T рес Количество ремонтов ГЗД - N рем Стоимость транспортировки ГЗД руб C тр Прибыль сервисной компании руб P r Стоимость метра проходки руб/м C м Экономический эффект руб Э 10