Бурение скважин на воду

Бурение скважин на воду Министерство образования и науки Украины Национальный горный университет Кафедра техники разведки месторождений полезных ископаемых Пояснительная записка «Бурение скважин на воду» Днепропетровск 2005г. Введение 1. Геолого-технические условия бурения скважины 2. Выбор и расчет водоприемной части скважины 3. Выбор водоподъёмной установки 5. Выбор бурового оборудования и инструмента 6. Выбор очистного агента 7. Технология бурения 9. Монтаж фильтра и водоподъемной установки 10. Техника безопасности Список литературы Введение решения конкретных инженерных задач в комплексе. 1. Геолого-технические условия бурения скважины Данный геологический разрез представлен следующими породами: суглинок, мел, лесс, глина, известняк, песчаник, аргиллит, песок мелкозернистый. Категория по буримости - II-VII. При бурении возможны следующие осложнения: сужение ствола скважины при набухании глин, частичное поглощение промывочной жидкости в известняках. Геологический разрез и краткая его характеристика, включающая мощности пластов и категорию пород по буримости приведены в графической части проекта на ГТП. Водоносный горизонт сложен мелкозернистым песком. Имеет мощность 25 метров. Категория по буримости – II-ая. Глубина залегания кровли водоносного пласта 235 метров. Проектный дебит – 21 м3/ч. Статический и динамический уровни соответственно равны 19 и 40 метров. Глубина подошвы слоя Краткое описание Категория по буримости Зоны возм. осложнений 3 Суглинок 3 II 26 Мел 23 III 46 Суглинок 20 III 82 Лесс 36 II 124 Глина 42 IV 157 Мел 33 III 196 Известняк 39 VII 216 Песчаник 20 V 235 Аргиллит 19 VI 260 Песок мелкозернистый 25 II 2. Выбор и расчет водоприемной части скважины Тип водоприемной части зависит от характера пород водоносного горизонта. Так как водоносный горизонт сложен мелкозернистым песком II-ой категории по буримости, то принимаем фильтровую водоприемную часть. В соответствии с рекомендациями СНиП II-31-74 по выбору фильтров принимаем трубчатый фильтр с однослойной гравийной обсыпкой. Расчет водоприемной части L=Q/(B•d•Vф•W) Vф=65•3/ Кф Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; коэффициент фильтрации принимаем равным - Кф =5 м/сут. Диаметр каркаса фильтра по ГОСТу на обсадные трубы принимаем Ø 114 мм. dф=(dк+2))=114+2•50=214 мм dк – диаметр каркаса Диаметр отверстий = 3•0,25=0,75 Длина надфильтровой трубы принимается равной из условия ее выхода из под башмака эксплуатационной колонны не менее чем на 5 м, исходя из этого принимаем длину надфильтровой трубы – 14,5 м. Длину отстойника принимаем равной 9,5м. Общая длина фильтра будет равна: Lф=7+14,5+9,5=30 м. Проверка фильтра по его водопропускной способности: должно выполняться условие f>Q, в свою очередь Фильтр удовлетворяет заданным условиям так как 22,11>21. 3. Выбор водоподъёмной установки них. Продолжительность откачек по сравнению со сроком эксплуатации скважины ничтожно мала. Кроме того, в процессе откачек и количества отбираемой воды и динамический уровень сильно меняются. Во время эксплуатации они близки к постоянному. Поэтому для опытной откачки следует использовать в первую очередь эрлифты, а для постоянной эксплуатации насосы с более высоким КПД. В соответствии с рекомендациями по выбору типа водоподъемной установки для постоянной эксплуатации принимаем погружной центробежный насос типа ЭЦВ. 1. Определяем глубину погружения смесителя от уровня излива H=h•k k– коэффициент погружения. принимаем =2,5 V0=h/(с•lg((h•(к-1)+10)/10)) с – коэффициент, зависящий от коэффициента погружения = 13,1 V0=50/(13,1•lg((50•(2,5-1)+10)/10))=4,11 м3 на один м3 поднятой воды 3. Полный расход воздуха Wв=Q•V0/60 где Q – дебит 4. Пусковое давление воздуха р0=0,1•(к•h-h0+2) где h0 – глубина статического уровня воды р0=0,1•(2,5•50-29+2)=9,8 кг/см3 рр=0,1•[h•(k-1)+5]=0,1•[50•(2,5-1)+5]=8 кг/см3 6. Расход эмульсии непосредственно выше форсунки q1=(Q/3600)+(W/60•(рр-1))=(21/3600)+(1. 44/60•(8-1))=0. 0093 м3/с 7. Расход эмульсии при изливе 8. Площадь сечения водоподъемной трубы у форсунки w1=q1/v1=0,0093/2,1=0,0044 м2 v1 – скорость движения эмульсии у форсунки. Принимаем = 2,1 м/с 9. Площадь сечения водоподъемной трубы у излива w2=q2/v2=0,0298/7=0,0043 м2 v1 – скорость движения эмульсии на изливе. Принимаем = 7 м/с 10. Внутренний диаметр водоподъемной трубы d=/(4•w2/B)=/(4•0. 0043/3. 14)=0. 074 м. 11. Производительность компрессора: Wk=1,2•Wв=1,2•1,44=1,728 м3/мин. 12. Рабочее давление компрессора 13. Расчетная мощность на валу компрессора Nk=N0•pk•Wk=1,18•8,5•1,728=17,33 кВт N0 – удельная мощность = 1,18 кВт. 14. Действительная мощность на валу компрессора Nд=1,1•Nk=1,1•17,33=19,06 кВт. 0=1000•Q•h/(1,36 •Nд•75)=1000•21•50/(1,36•19,06•75•3600)=0. 15 Принимаем в качестве компрессора для эрлифта компрессор КТ-7. Расчет водоподъемника. Выбор марки водоподъемника определяется по дебиту скважины и напору, который должен развить насос. Нм=Нгд+Нвр Нгд – геодезическая высота подачи Нвр – потери напора hи – высота излива hд – динамический уровень hи – высота излива Нвр=0,1•Н=0,1•55=5,5 м. Н – длина напорного трубопровода. Н= Нгд+hз=50+5=55 м. hз – заглубление насоса под динамический уровень, принимаем = 5м. Нм=Нгд+Нвр=50+5,5=65,5 м. Эксплуатационные потери: Нэ=0,08•Нм=0,08•65,5=5,24 м. Общий напор равен Ноб=Нм+Нэ=65,5+5,24=70,74 м. Исходя из данных расчета напорной характеристики, которую необходимо обеспечить, принимаем центробежный погружной насос марки ЭЦВ8-25-100, который удовлетворяет нашим требованиям. Диаметр водоподъемной трубы 76 мм. Рабочая характеристика насоса приведена в графической части проекта. Модернизация насоса Излишек напора: )Н=Ннм-Нм=100-70,74=29,26 м. Напор, развиваемый одной ступенью насоса: Н1=Ннм/Nст=100/7=14,3 м. Количество снимаемых ступеней: )Nст =)Н/Н1=29,26/14,3=2,046 Принимаем )Nст=2. 4. Выбор способа бурения и проектная конструкция скважины Выбор способа бурения производится на основе предварительного изучения геолого-технических условий бурения, а также по ранее пробуренным на данной территории скважинам и в соответствии с рекомендациями по выбору способа бурения. Принимаем роторный способ бурения с прямой промывкой. бурение скважина вода Проектирование конструкции скважины при роторном способе бурения. 1. Диаметр водоприемной части скважины: dвч=214 мм. 2. Уточняем диаметр долота для бурения водоприемной части по ГОСТу на долота: dвч=214 мм. 3. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны определяют из условия наличия зазора между долотом и колонной dэк=dвч+8=214+8=222 мм. 4. Наружный диаметр эксплуатационной колонны Уточняем диаметр по ГОСТу. dэквн=259 мм. dэкн=273 мм 5. Диаметр долота для бурения под эксплуатационную колонну: dэкд=dэкм+2б где dэкм – диаметр муфты эксплуатационной колонны б – зазор между стенками скважины и наружной поверхностью муфты dэкд=273+2•20=313 мм. dэкд=349,2 мм. 7. Внутренний диаметр направления: dнв= dэкд +50=349,2+50=399,2 мм. dнв=406 мм. dнн=426 мм. dнб=dнн +50=426+50=476 мм. 10. Уточняем диаметр долота для бурения под направление по ГОСТу на долота: dнд=490 мм. 11. Глубину бурения под направление принимаем Lн=6 м. 12. Длина эксплуатационной колонны Lэк=Нкр+hз=235+1=236 м. Нкр – глубина кровли залегания водоносного горизонта. hз – глубина заглубки в водоносный горизонт. 5. Выбор бурового оборудования и инструмента Выбор буровой установки осуществляется с таким расчетом, чтобы значение таких ее параметров технической характеристики, как глубина бурения, начальный и конечный диаметры бурения соответствовали (были больше или равны) значениям аналогичных параметров конструкции скважины. Учитывая вышесказанное выбираем установку УБВ-600. Технические характеристики буровой установки УБВ-600. Параметры Значения Основной способ бурения Вращательный с промывкой Глубина бурения 600 м. Диаметр 114 мм. Рекомендуемые диаметры скважин, мм: начальный- 490 214 Транспортная база КрАЗ – 257 (2 шасси) Силовой привод ЯМЗ-238 2 двигателя 150х2 Мачта Телескопическая наклонная 22,4 Длина бурильной трубы/свечи, м. 12 Ротор Частота вращения (основные передачи), об/мин 105, 183 Число передач основных и вспомогательных 2/3 Крутящий момент, кгс•м 1700 9МГр-61 - 2 насоса Подача максимальная, л/с 32 Давление максимальное, кгс/см3 150 Компрессор КТ-7 Подача, м3/мин 5,3 Давление, МПа 0,8 Проводим проверку установки на грузоподъемность проверкой условия Qk<[Q]. q1 – масса 1 метра обсадной колонны рж и рм – плотности жидкости и стали соответственно L – длина обсадных труб 8,286 т<32 т Установка подходит. Под водоприемную часть: dбт=0,45•214=96,3 мм. Уточняем по ГОСТу dбт=102 мм. Под эксплуатационную часть: dбт=0,45•349,2=157 мм. Диаметр утяжеленных бурильных труб dубт=(0,7-0,8) dд Под водоприемную часть dвубт=0,7•214=149,8 мм. Уточняем по ГОСТу dвубт=178 мм. Под эксплуатационную: dэкубт=0,7•349,2=244,4 мм. Уточняем по ГОСТу dэкубт=203 мм. Выбор конкретных типоразмеров породоразрушающего инструмента осуществляется в зависимости от свойств горных пород и диаметров бурения по проектной конструкции скважины с учетом существующей номенклатуры по действующим ГОСТам и отраслевым нормалям. Принимаем по ГОСТу 20692-75 следующие долота: Для бурения под направление – Д490СГ. Для бурения под Эксплуатационную колонну – Б-349,2СЦВ. Для бурения принимаем долото 3Л-214. Геологический разрез сложен мягкими и средними породами II– VII категорий по буримости. При бурении возможны следующие осложнения: сужение ствола скважины при набухании глин, частичное поглощение в известняках, осыпание аргиллитов, поглощение промывочной жидкости в песках. Поэтому в интервале залегания этих пород предполагается применение нормального глинистого раствора со следующими свойствами: плотность 1,1 – 1,2 г/см3; условная вязкость 20 – 22 с.; содержание песка не более 4%; водоотдача 8 – 10 см3 за 30 мин; толщина глинистой корки 1 – 2 мм. Для получения такого раствора необходимо добавить реагент УЩР (15 – 20%). 7. Технология бурения Подготовительные работы Всё буровое и вспомогательное оборудование размещают на специальной площадке. Размещаются заземления, водные емкости, дом-общежитие, буровая установка. Общий порядок сооружения скважины. Забурка скважины под направление глубиной 6 метров осуществляется долотом диаметром 490 мм. Полученный интервал обсаживается трубами диаметром 426 мм с полной цементацией затрубного пространства. Бурение по непродуктивным толщам в интервале 6 – 236 метров ведется долотом диаметром 349,2 мм с последующей установкой эксплуатационной колонны диаметром 273 мм с выходом на дневную поверхность также с полной цементацией затрубного пространства. Дальнейшее бурение до проектной глубины 260 м. ведется по водоносной породе долотом диаметром 214 мм. Забурка скважины под направление. Осевая нагрузка создается собственным весом бурового снаряда. Частота вращения принимается: n=105 об/мин. Расчет цементирования под направление. 1. Плотность цементного раствора: рцр= рв• рц•(1+m)/(рв+ m•рц), где рв – плотность воды рц – плотность цемента m – водоцементное отношение 2. Необходимое количество цементного раствора Vцр=0,785•[(к•D2-dн2)•hц+ d2•h] к – коэффициент, учитывающий возможное увеличение диаметра скважины dн – наружный диаметр обсадных труб, м d– внутренний диаметр обсадных труб, м hц – высота подъема цемента в затрубном пространстве h – высота цементного стакана Vцр=0,785•[(1,3•0,492-0,4262)•6+0,4062•5]=1,26 м3 3. Необходимое количество сухого цемента кц – коэффициент, учитывающий потери цемента. Vв=(m•Qц)/ (кц•рв)=(1,69•0,5)/(1,1•1)=0,77 м3 5. Количество продавочной жидкости к2 – коэффициент, учитывающий сжимаемость жидкости Осевая нагрузка бкдет создаваться УБТ диаметром 245 мм с весом одного метра трубы q1м=232 даН, длина необходимого УБТ будет составлять: На интервале залегания пород I-IV категорий Р=руд•D=100•34,92=3490 кг=3490 даН. Принимаем Р=3500 даН. Lубт=Р•к/(q1м•(1-рж/рм))=3500•1,25/(232•(1-1,2/7,85))=22,26 м С учетом длины свечи (12 м) принимаем длину УБТ – 24 м. Частота вращения n=105 об/мин На интервале залегания пород VI-VII категорий: Р=руд•D=200•34,92=6980 кг=6980 даН. Lубт=Р•к/(q1м•(1-рж/рм))=6980•1,25/(232•(1-1,2/7,85))=44,4 м Принимаем длину УБТ – 48 м. В соответствии с технической характеристикой установки принимаем n=183 об/мин Q=0,785•(D2-d2) •Vn D - наибольший диаметр скважины или обсадных труб, м d - наружный диаметр бурильных труб, м Vn - скорость восходящего потока, м/с Q=0,785•(0,34922-0,1682)•0,2=0,015 м3/с; принимаем Q=15 л/с Расчет цементирования эксплуатационной колонны. 1. Плотность цементного раствора: рцр= рв• рц•(1+m)/(рв+ m•рц), рцр=3100•1000•(1+0,5)/(1000+0,5• 3100)=1830 кг/м3 3. Необходимое количество сухого цемента Qц=кц•qц•Vцр Qц=1,1•1,22•18,46=24,77 т. 4. Необходимый объем воды Vв=(m•Qц)/ (кц•рв)=(24,77•0,5)/(1,1•1)=11,26 м3 5. Количество продавочной жидкости Vпр=0,785•к2•d2•(L-h)=0,785•1,05•0,23052• (235-7)=9,985 м3 р=рг+g•(hц-h)•(pцр-pпр) 7. Суммарная производительность цементировочных агрегатов при продавке цементного раствора Q=0,785•(D2с-D2)•к•V=0,785•(0,34922-0,2452)•1,2•1,5=0,0873 м3/с 8. Продолжительность цементирования скважины: T=t1+t2+t3 t1 – время закачки цементного раствора t2 – время установки верхней пробки =15 мин t3 – время продавки t1= Vцр/(n•qn)=18,46/(3•0,033)=186,46 с=3,11 мин t3= Vпр/(n•qn)=9,985/(3•0,033)=100,86 с=1,68 мин T=3,11+1,68+15=19,79 мин. Время начала загустевания цементного раствора должно быть больше продолжительности цементирования с 25% запасом времени 19,79<60 условие выполняется. Исходя из того, что водоносный горизонт сложен мелкозернистым песком, принимаем для вскрытия продуктивного пласта вращательный способ бурения с прямой промывкой меловым раствором. Раствор имеет следующие параметры: Вязкость, с – 40 – 60; Преимущество этих растворов в том, что образуемая на стенках скважины корка легко разрушается при кислотной обработке пласта. фонари, и нижний левый переходник с обратным клапаном, устанавливают сальник в надфильтровой части. Осевая нагрузка на долото Р=р•D=50•21,4=1070 кг=1070 даН. Принимаем Р=1100 даН. Осевая нагрузка будет создаваться УБТ диаметром 178 мм с весом одного метра трубы q1м=202 даН, длина необходимого УБТ будет составлять: Lубт=Р•к/(q1м•(1-рж/рм))=1100•1,25/(202•(1-1,2/7,85))=8 м С учетом длины свечи (12 м) принимаем длину УБТ – 12 м. Частота вращения принимается минимальная n=105 об/мин Расход промывочной жидкости Q=0,785•(0,2142-0,1022)•0,2=0,0055м3/с= 5,5 л/с Перед каждым наращиванием бурильной колонны пройденный интервал необходимо пройти 1-2 раза с максимальной промывкой. 9. Монтаж фильтра и водоподъемной установки До установки насоса скважину необходимо прокачать эрлифтом, т. к. наличие в ней песка и мусора неминуемо приведет к аварии. До монтажа насоса на скважине следует проверить, нет ли в нем заеданий и перекосов, которые могли возникнуть в результате транспортировки. 1. Питающий кабель соединяют с выводными концами электродвигателя пайкой в соединительной гильзе, места пайки тщательно изолируют. 2. Трубу с муфтой ввертывают в верхний патрубок насоса до отказа и застопоривают двумя винтами. 3. Монтажный хомут закрепляют на трубе у торца муфты и подсоединяют металлическими стропами к крюку тали или блока. 4. Агрегат поднимают в вертикальное положение и опускают в скважину. в резьбу муфты ввертывают трубу. Питающий кабель следует укладывать вдоль колонны труб, закрепляя его скобами крепления через интервалы 3 м. В местах крепления к трубам кабель следует обернуть резиновой или изоляционной лентой. устанавливают, исходя из заданной производительности водоотбора. 1. Общие требования 1. 1. К работе допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие медицинский осмотр и курсовое обучение по профессии. 1. 2. При поступлении на работу бурильщик должен пройти у инженера вводный инструктаж по Т. Б., а перед непосредственным допуском к работе – инструктаж на рабочем месте у руководителя работ на объекте. 1. 3. Через каждые 6 месяцев работы помощник бурильщика должен проходить повторный инструктаж по безопасному ведению работ и не менее 1 раза в год проверку знаний. 1. 4. Все операции, выполняемые на высоте более 1,5 м должны проводиться со специальных площадок, огражденных перилами, на высоте 3 м – с применением специальных крепежных поясов. 1. 5. Применение открытого огня и курение разрешается только в специально отведенных местах. 1. 6. При несчастных случаях необходимо оказать первую медицинскую помощь, затем сообщить буровому мастеру и вызвать скорую медицинскую помощь. 1. 7. Прокладка подъездных путей, сооружение буровой установки, размещение оборудования, устройство оборудования отопления, освещения должны производиться по схемам и типовым проектам монтажа, утвержденным руководством. Список литературы 1. Методические указания по курсовому проектированию «Бурение скважин на воду», Кожевников А. А. – Днепропетровск, 1984. 2. Справочник по бурению скважин на воду под редакцией проф. Башкатова Д. Н. – М.: Недра, 1979. 3. Справочник по бурению скважин на воду под редакцией проф. Дубровского В. В. – М.: Недра, 1872. 4. Технология бурения геологоразведочных скважин, Винниченко, Максименко. – М.: Недра, 1988.