Главная Учебники - Геология Лекции (геология) - часть 1
Министерство образования и науки Украины Национальный горный университет Кафедра техники разведки месторождений полезных ископаемых Пояснительная записка по курсовому проекту по курсу «Бурение скважин на воду» Студента группы РТ-01-1 Алещева А.А. Руководитель курсового проекта: Acc. Хоменко В.Л. Днепропетровск 2005г. Содержание
Введение 1. Геолого-технические условия бурения скважины 2. Выбор и расчет водоприемной части скважины 3. Выбор водоподъёмной установки 4. Выбор способа бурения и проектная конструкция скважины 5. Выбор бурового оборудования и инструмента 6. Выбор очистного агента 7. Технология бурения 8. Вскрытие и освоение водоносного горизонта 9. Монтаж фильтра и водоподъемной установки 10. Техника безопасности Список литературы Курсовое проектирование по бурению скважин на воду является важным этапом в подготовке студентов и преследует цель закрепления теоретических знаний по курсу, выработки навыков применения этих знаний для решения конкретных инженерных задач в комплексе. Курсовой проект включает пояснительную записку и графическое приложение. Пояснительная записка должна иметь объем не более 20-25 страниц текста на листах стандартного формата А4. Данный курсовой проект предусматривает бурение разведочно-эксплуатационной скважины для питьевого водоснабжения, проектная глубина которой составляет – 260 метров. 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. 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. Так как мощность пласта более 10 метров, то принимаем диаметр водоприемной части, а рассчитываем длину. L=Q/(B•d•Vф•W) Q – дебит скважины; d– диаметр водоприемной части; Vф – допустимая скорость фильтрации воды; W – скважность фильтра. Принимаем W равной 1. Vф=65•3/ Кф Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; коэффициент фильтрации принимаем равным - Кф =5 м/сут. Vф=65•3/ 5=111,2 м3/сут = 4,7 м3/ч Диаметр каркаса фильтра по ГОСТу на обсадные трубы принимаем Ø 114 мм. dф=(dк+2))=114+2•50=214 мм dк – диаметр каркаса ) - толщина обсыпки принимаем=50 мм L=21/(3,14•0,214•4,7•1)=6,6 м Принимаем L=7 м. 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 f=Vф•d•B•L=4,7•0,214•7•3,14=22,11 м3/ч Фильтр удовлетворяет заданным условиям так как 22,11>21. Условие работы водоподъемников в период откачек и постоянной эксплуатации не одинаковы. В первом случае вода, как правило, содержит много механических примесей, во втором – она должна быть свободна от 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 h – глубина динамического уровня воды от уровня излива k– коэффициент погружения. принимаем =2,5 H=50•2,5=125 м. 2. Определение удельного расхода воздуха 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 Wв=21•4,11/60=1,44 м3/мин. 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 5. Рабочее давление воздуха 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 q2=(Q/3600)+(W/60)=(21/3600)+(1,44/60)=0,0298 м3/с 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. Принимаем диаметр водоподъемных труб равным 76 мм ГОСТ 6238-77. Диаметр воздухопроводных труб принимаем равным 27 мм ГОСТ 3262-75. 11. Производительность компрессора: Wk=1,2•Wв=1,2•1,44=1,728 м3/мин. 12. Рабочее давление компрессора рк= рр+0,5=8+0,5=8,5 кг/см3 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. 15. Коэффициент полезного действия установки 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. Выбор марки водоподъемника определяется по дебиту скважины и напору, который должен развить насос. Нм=Нгд+Нвр Нм – манометрический напор Нгд – геодезическая высота подачи Нвр – потери напора Нгд=hд+hи=40+10=50 м. 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. 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. 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 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. 6. Диаметр долота для бурения под эксплуатационную колонну уточняют по ГОСТу: dэкд=349,2 мм. 7. Внутренний диаметр направления: dнв= dэкд +50=349,2+50=399,2 мм. 8. Уточняем внутренний и наружный диаметр направления по ГОСТу на обсадные трубы: dнв=406 мм. dнн=426 мм. 9. Выбираем диаметр долота для бурения под направление 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. 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. Рекомендуемые диаметры скважин, мм: начальный- конечный- 490 214 Проводим проверку установки на грузоподъемность проверкой условия Qk<[Q]. Qk=q1•L• (1-(рж/рм))=41,1•236(1-(1200/7850))=8251,7 кг=8,286 т 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. Диаметр бурильных труб выбираем из условия: dбт=0,45•dд 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. Уточняем по ГОСТу dбт =168 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%). 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. Осевая нагрузка создается собственным весом бурового снаряда. Частота вращения принимается: n=105 об/мин. Подача промывочной жидкости максимальная, но посредством одного насоса =32 л/с. 1. Плотность цементного раствора: рцр= рв• рц•(1+m)/(рв+ m•рц), где рв – плотность воды рц – плотность цемента m – водоцементное отношение рцр=3100•1000•(1+0,5)/(1000+0,5• 3100)=1830 кг/м3 2. Необходимое количество цементного раствора Vцр=0,785•[(к•D2-dн2)•hц+ d2•h] к – коэффициент, учитывающий возможное увеличение диаметра скважины D – диаметр скважины, м 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 Qц=кц•qц•Vцр кц – коэффициент, учитывающий потери цемента. Qц=1,1•1,22•1,26=1,69 т. 4. Необходимый объем воды Vв=(m•Qц)/ (кц•рв)=(1,69•0,5)/(1,1•1)=0,77 м3 5. Количество продавочной жидкости Vпр=0,785•к2•d2•(L-h)=0,785•1,05•0,4062• (6-5)=0,136 м3 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: Lубт=Р•к/(q1м•(1-рж/рм)) 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 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 2. Необходимое количество цементного раствора Vцр=0,785•[(к•D2-dн2)•hц+ d 2•h] Vцр=0,785•[(1,3•0,34922-0,2452)•236+0,23052•7]=18,46 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 6. Давление на оголовке скважины в конце цементирования на момент схождения пробок р=рг+g•(hц-h)•(pцр-pпр) рг - потери на гидравлическое сопротивление рг=0,001•L+0,8=0,001•236+0,8=1,035 МПа р=1,035•106+9,8•(235-7)•(1830-1200)=2,443 МПа 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 Для обеспечения такой подачи принимаем 3 цементировочных агрегата марки 3ЦА-400 с максимальной подачей 0,033 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: Плотность, г/см3 – 1,35 – 1,4; Вязкость, с – 40 – 60; Статическое напряжение сдвига, мгс/м2 – 100; Водоотдача, см3/30мин – 5 – 10. Преимущество этих растворов в том, что образуемая на стенках скважины корка легко разрушается при кислотной обработке пласта. При подготовке к вскрытию проводят очистку отстойников, устройств отвода использованной промывочной жидкости от устья скважины, проверяют и подготавливают фильтровую колонну: устанавливают центрирующие 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. 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. Монтируют агрегат следующим образом. 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. Электронасос должен быть опущен на 3-5 м ниже динамического уровня воды в скважине, но не ближе 2,5 м от забоя скважины. Рабочую часть фильтра устанавливают на расстоянии 0,5-1,0 м от кровли и подошвы пласта во избежание случайного попадания пород кровли и подошвы в фильтр. В пластах мощностью более 10 метров длину фильтра 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. 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.
|