Инженерные расчеты при бурении

Э.В. Бабаян,  А.В. Черненко   

ИНЖЕНЕРНЫЕ  
РАСЧЕТЫ  
ПРИ БУРЕНИИ 

Учебно-практическое пособие 

Москва 
Инфра-Инженерия 

2018 

УДК 622.323.002.5 
ББК 33.131я73 
Б 12 

Б 12 

Бабаян Э.В., Черненко А.В. 

Инженерные расчеты при бурении. – М.: Инфра-Инженерия,  2018. – 440 с. 

ISBN 978-5-9729-0108-1 

Представлены формулы, расчетные зависимости с примерами вычислений в современной системе единиц по всем главным разделам строительства и 
ремонта скважин. Расчетные зависимости поэтапно, шаг за шагом, дают возможность обосновать режимные параметры многочисленных  технологических операций, которые имеют место при углублении ствола и его креплении. 
Издание предназначено  инженерам-практикам, преподавателям, аспирантам и студентам. Книга станет полезным пособием при составлении курсовых и дипломных работ. 

Подписано в печать 27.11.2017. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура «Таймс». Объем 25 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №1209 

Издательство «Инфра-Инженерия» 
Тел.: 8(911)512-48-48. Тел./факс: 8(8172)75-15-54. E-mail: infra-e@yandex.ru 
Сайт: www.infra-e.ru 

Издательство  

приглашает к сотрудничеству авторов 

научно-технической литературы 

© Бабаян Э.В., Черненко А.В., авторы, 2018 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018

ISBN 978-5-9729-0108-1 

Предисловие 

3 

Предисловие 

Предложена книга, в которой системно представлены  формулы, расчетные зависимости, отражающие физическую сущность происходящих процессов при  строительстве скважин.  Особенность предлагаемой работы заключаются в том, что систематизированы  известные и проверенные опытом расчетные зависимости, которые  поэтапно шаг за шагом дают возможность 
обосновать режимные параметры текущей технологической операции. 
Здесь представлена новая концепция прогнозирования и обеспечения 
герметичности зацементированного заколонного пространства, которая показала свою эффективность во многих нефтегазовых регионах в сложных геолого-технических условиях. 
В основе подавляющего  большинства технологических операций по 
углублению скважины, обсаживанию ее обсадными колоннами, вызову притока лежат гидроаэромеханические процессы. Действительно, удаление из 
скважины выбуренной породы, применение забойных двигателей, гидромониторных долот, регулярные спускоподъемные операции, спуск и цементирования обсадных колонн, и еще далеко не весь перечень операций, перечисленных здесь, неразрывно связанны с гидроаэромеханикой.  Без знания зависимостей гидроаэродинамики применительно к этим процессам невозможно 
проектирование и оптимизация программы бурения. И по этим вопросам 
накоплен огромный расчетный фонд, который представлен в этой книге. С 
учетом многообразия геологотехнических условий, его использование позволяет разработать несколько вариантов каждой конкретной одной технологической операции, при множестве показателей. 
Существенное влияние на развитие технологии бурения с заданным забойным давлением, когда проектируется бурение с минимальной репрессией 
или даже с депрессией на пласт, оказала разработка технология управления 
скважиной при газонефтеводопроявлениях. В книге представлены зависимости, позволяющие на проектном уровне рассчитать значение прямых и косвенных признаков   (показателей), указывающих на раннее начало поступление пластового флюида в ствол скважины или начало поглощения бурового 
раствора. Затем выбрать из них наиболее информативный  и сосредоточить 
внимание исполнителей на нем. И далее, выполнить все необходимые действия по герметизации скважины, и рассчитать параметры процесса ликвидации начавшегося проявления или поглощения. 
Без предварительных расчетов пластового давления и давления гидроразрыва пласта, представленных в одной из глав, никто не приступит к проектированию конструкции скважины, определению плотности бурового раствора 
и параметров промывки скважин и цементирования обсадных колонн. И тем 
более, к проведению самого гидроразрыва,  как наиболее эффективного средства повышения дебита скважины  (особенно при извлечении нефти или газа 
из сланцев (глин)). 

Бабаян  Э.В.,  Черненко  А.В.   
  Инженерные расчеты при бурении

4 

Основной целью этой книги, на наш взгляд, является реализация современных буровых технологий на более высоком оптимизированном уровне и 
их дальнейшее совершенствование. 
Дальнейшее развитие технологий с заданным забойным давлением, когда 
проектируется  бурение с минимальной репрессией или даже с депрессией, 
как наиболее эффективной технологией последних десятилетий, невозможно 
без инженерных расчетов, которые здесь представлены. 
Буровые растворы – это не только материалы и рецептуры для конкретных условий, но их текущее управление, эффективность которого  невозможно представить без соответствующих зависимостей.  Представлены эти 
зависимости, которые не нашли полного отражения в системном виде в специальной литературе. Но инженерный персонал ежедневно сталкивается в 
практике с такими вопросами как увеличение или уменьшение плотности 
бурового раствора, приготовление и обработка бурового раствора, проведение анализа твердой фазы разными методами, оценка работы очистных 
устройств (вибросит, гидроциклонов, центрифуг).  
В книге фактически систематизированы, проверенные практикой расчетные формулы и зависимости по всем разделам бурения, и представлены в 
виде алгоритмов, как основной материал для создания новых или совершенствования известных технологий и  создания компьютерных программ. 
Инженерам, проектировщикам, операторам не нужно будет искать в многочисленных книгах ответы на разнообразные вопросы, которые возникают у 
них ежедневно, они найдут их здесь, открыв нужную страницу. 
Книга будет весьма полезна преподавателям, проводящих практические 
занятия со студентами вузов, и слушателями различных курсов повышения 
квалификации. Книга станет полезным пособием при составлении курсовых 
и дипломных работ, а также аспирантам и научным работникам. 

Глава 1
 Терминология. Базовые формулы 

5 

Глава 1 
ТЕРМИНОЛОГИЯ. БАЗОВЫЕ ФОРМУЛЫ 

1.1. ВЕС, МАССА, ПЛОТНОСТЬ, УДЕЛЬНЫЙ ВЕС 

Вес (gravity, weight) тела – сила, с которой тело действует вследствие тяготения к Земле на опору. Единица веса, как и сила тяжести – Н: 
1 Н = 0,102 кгс 
10 Н = 1,02 кгс. 
Масса (mass) – количество материи в теле, являющейся мерой ее инерционных и гравитационных свойств. В Международной системе единиц (СИ) 
масса выражается в килограммах (кг). 
Согласно основополагающего закона механики масса материальной точки 
не зависит от скорости ее движения. Но ускорение а, приобретаемое телом, 
прямо пропорционально силе F, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела m:  

F = ma, (1.1) 

F выражается в Н, m в кг, a в м/с2. 
Для случая свободного падения: F = mg, g = 9,81 м/с2. 

 Плотность (density) – масса единицы объема вещества, выражается в 
кг/м3. 
Удельный вес (specific weight) – отношение веса тела к его объему, выражается в Н/м3. 
Плотность вещества растет с увеличением давления и, как правило, убывает с ростом температуры. При переходе вещества из жидкого состояния в 
газообразное и из твердого в жидкое плотность вещества скачкообразно 
уменьшается (исключение представляют вода и чугун, плотность, которых 
при плавлении увеличивается). 
В бурении наибольшее распространение получили ареометр АБР-2, рычажный плотномер ВРП -1 и пикнометр, которыми определяют кажущую 
плотность раствора, выходящего из скважины, а истинная плотность определяется расчетным путем. 

Бабаян Э.В., Черненко А.В.                         Инженерные расчеты при бурении

 

6 
 

Определение: Плотность раствора для ρ пресной воды (кг/м3) 
ρводы = 1000,0 кг/м3.  
 
Пример: Плотность раствора для пресной воды ρ (кг/л) 
ρводы = 1000,0 (10-3) 
ρводы = 1,0 кг/л, 
где 1 л = 10-3 м3. 
 
Пример: Удельный вес раствора γ для пресной воды ρ (Н/м3) 
γводы = 1000,0 g = 1000,0 (9,81)  γводы = 9810,0 Н/м3, 
где g = 9,81 м/с2. 
 
1.2. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ 
 
Определение: Гидростатическое давление P (Н/м2)  на глубине H (м) равно (используя удельный вес в Н/м3) 
 
P (Н/м2) = γ (Н/м3) H (м),  (1.2). 
 
 Пример: Давление (Н/м2) в пресной воде на глубине 305 м  
P = (98210)  (305) = 2 992 050 Н/м2 (т.е. 2,99205 МПа). 
 
Определение: Гидростатическое давление (Н/м2) на глубине H (м) равно 
(используя плотность бурового раствора в кг/м3) 
P (Н/м2) = ρ(кг/м3)·g(м/с2)·H(м). 
 
Пример: Давление (Н/м2) в пресной воде на глубине 305 м  
P = 1000 (9,81)  (305) = 2 992 050 Н/м2 (т.е. 2,99205 МПа). 
 
Единица измерения давления Па: 
1 Па = 10-5 кгс/см2 = 10-5 бар 
1 кПа = 10-2 кгс/см2 = 10-2 бар 
1 МПа = 10 кгс/см2 = 10 бар. 
 
1.3. ГРАДИЕНТ ДАВЛЕНИЯ 
 
Определение: Градиент (мера возрастания или убывания физической величины на единицу длины) давления ̅ получается из уравнения: 

Глава 1                                                           Терминология. Базовые формулы 

 

7 
 

 



 


 
 
 , 1.3
 

P МПа

H м
 
 

Пример: Градиент давления   для пресной воды: 

 = 0,01 МПа/м. 
Пример: Градиент давления   для бурового раствора с удельным весом 
14400 Н/м3 

 

0,0144 
/
p
МПа м

. 

Пример: Определить градиент пластового давления для пласта находящегося на глубине 2000м с пластовым давлением 26,0 МПа (254,9 кгс/см2): 

2
26
254,9
0,013 
/
 
0,127
/
/
2000
2000
p
МПа м p
кг см
м




. 

 
1.4. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПЛОТНОСТЬ БУРОВОГО РАСТВОРА 
 
Определение: Эквивалентная плотность бурового раствора ρэкв учитывает гидравлические сопротивления в затрубном пространстве (
.
.
.
з гид соп
P
) и дав
ления жидкости и взвеси частиц шлама. 
Без учета взвеси: 

.
.
.
 з гид соп
экв
P
H g




 +
.
б р

 ,  (1.4). 

Пример: Потери давления на трение в затрубном пространстве равны 
1 380 000 Па, 
.
б р

 = 1130 кг/м3, а  H = 3048 м.  

3
1380000
1130
1176 
/
3048 9,8
экв
кг м





. 

 С учетом взвеси: 




.
 
.
.
.
.
.
.
 
100

об доля тв частиц
з гид соп
экв
б р
породы
б р
С
P
H g










 ,   (1.5) 

 

Бабаян Э.В., Черненко А.В.                         Инженерные расчеты при бурении

 

8 
 

Продолжение примера. Плотность породы 2400 кг/м3, объемная доля 
твердых частиц 3%. 




3
1380000
3
1130
2400 1130
1214 
/
3048 9,8
100
экв
кг м








. 

 
1.5. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ 
 
Гидравлическая мощность: 





,
л
N кВт
P МПа
Q с








 (1.6). 

 
Приводная гидравлическая мощность: 
 

.
 
,
нас
приводная
об
мех

P
Q
N
e
e



 (1.7)  

 
где 
об
e
 – объемный кпд, или коэффициент наполнения (~ от 0,85 до 0,98); 

мех
e
– механический кпд (~ 0,8 для непрерывного движения и ~ 0,9 для 
прерывистого режима работы насоса). 
 
Пример: Определите приводную мощность, которая должна быть подведена к насосному агрегату первичным приводом, чтобы перекачивать буровой раствор с подачей 26 л/с и давлении на насосе 14,5 МПа в непрерывном 
режиме работы (
мех
e
 ~ 0,8), и насос имеет объемный кпд 0,96.  
 

14,5 26
 
491 
0,8 0,96
приводная
N
кВт




. 

 
 Гидравлическая мощность на долоте равна потерям давления в долоте  
(
долота
P
), умноженное на подаче насоса (Q): 

9,5 26
247 
долота
долота
N
P
Q
кВт





. 

1 кВт = 1,34 л.с. 

Глава 1                                                           Терминология. Базовые формулы 

 

9 
 

 
 1.6. КОЭФФИЦИЕНТ ПЛАВУЧЕСТИ (BUOYANCY FACKTOR), 
ИЛИ КОЭФФИЦИЕНТ ПОТЕРИ ВЕСА 
 

.
1
/
б р
металл
k


 
 , (1.8). 

Пример: Определите коэффициент плавучести для жидкости плотностью 
1600 кг/м3. 

1600
1
0,796
7850
k  

. 

 
Вес колонны в воздухе 125 т. Соответственно вес колонны в жидкости: 
0,796 125
99,5 
жидкости
воздух
G
k G
т





. 

 
1.7. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАСТА  (Тпл) 
 
Тпл ºC = (среднегодовая температура внешней среды на поверхности, tсрºC) 
+ (увеличение температуры в ºC на один метр глубины, Δt × (глубина по 
вертикали, метр, H), или 
 



 
 
 Δ
, 
пл
ср
T
t
t H



 (1.9). 

 
Пример: Если температурный градиент в каком либо конкретном районе 
равен 0,03 ºC/метров глубины (или 30С на 100 м), а температура внешней 
среды на поверхности равна 8 ºC, определите расчетную температуру на глубине 4500 метров.  
Тпл ºC = 8 ºC + (0,03 ºC/метр × 4500 м) = 143 0С. 
  
1.8. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ПЕРЕВОДА ТЕМПЕРАТУРЫ 
 
Перевод температуры, градусы Фаренгейта (ºF) в градусы Цельсия (ºC)   

 

0
0
0
0
5 (
32)
 
(
32) 0,5556
9
F
C
или C
F






. 

Бабаян Э.В., Черненко А.В.                         Инженерные расчеты при бурении

 

10 
 

 
Пример: Переведите 95 ºF в ºC. 
 



0
0
5 (95
32)
35 
 
95
32
0,5556
35
9
C
или C








 

 
Перевод температуры, градусы Цельсия (ºC) в градусы Фаренгейта (ºF) 
 

0
0
0
0
(
9)
32 
 
 
 1,8
32
5
C
F
или F
C






. 

 
 
 
Пример: Переведите 24 ºC в ºF.  
 



0
0
24 9
32
75,2 
 
 24 1,8
32
75,2
5
F
или F








. 

 
Перевод температуры, градусы Цельсия (ºC) в градусы Кельвина (ºK) 
 
0К =0С +273,16. 
 
Пример: Переведите 35 ºC в ºK.   

 

0К = 35+273,16 = 308,16. 
 
Перевод температуры, градусы Фаренгейта (ºF) в градусы Ренкина (ºR) 
 
ºR = ºF + 459,69. 
 
Пример: Переведите 260 ºF в ºR. 
ºR = 260 + 459,69 
ºR = 719,69. 
 
Упрощенные приблизительные формулы для перевода температуры.