Table Of ContentАвтор 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
