AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanisława Staszica

w Krakowie

WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU

Projekt Otworu hydrologicznego

WYKONAŁ :

SPECJALNOŚĆ : GAZOWNICTWO

ROK : III

Temat: Projekt otworu hydrogeologicznego

1.Autor projektu:

SPECJALNOŚĆ: GAZOWNICTWO

WYDZIAŁ : WIERTNICTWA NAFTY I GAZU

ROK : I I I

2.Umiejscowienie otworu wiertniczego:

Współrzędne geograficzne:

Długość geograficzna: 21˚18′ E

Szerokość geograficzna: 49˚43′ N

Wysokość nad poziomem morza: 320 m

Współrzędne administracyjne:

Miejscowość: Biecz

Powiat: Gorlice

Województwo: Małopolskie

3.Przeznaczenie otworu:

Cel wiercenia: studnia, eksploatacja otworu.

4.Założenia projektowe:

Ho- głębokość otworu 1500m.

Do- średnica otworu 114,3mm

5.Profil litologiczny:

0-10-skały sypkie

10-100-piaskowce 10%

100-250-anhydryty

250-600-wapienie 7%

600-1100-łupki

1100-1500-piaskowce 25%

6.Planowany wydatek otworu:

Q= 50m³/dobę

7.Połóżenie zwierciadła wody:

S= 1501,7m.

8.Konstrukcja dolna otworu:

Studnia z filtrem.

9.Konstrukcja otworu - zarurowanie:

a)długości kolumn

L₁ =15m.

L₂ =600m.

L₃ =1500m.

b)średnica zewnętrzna, wewnętrzna, zewnętrzna złączki, ciężar, średnica świdra

D_z1=244,5mm D_w1=226,6mm D_m1=269,9mm q₁=66,0kg/m. D_o1=304,8mm

D_z2=168,3mm D_w2=153,6mm D_m2=187,7mm q₂=35,6kg/m. D_o2=212,7mm

D_z3=114,3mm D_w3=101,6mm D_m3=127,0mm q₃=19,0kg/m. D_o3=143,0mm

c)dobór stali i grubości ścianek

Przyjmujemy stal H-40

Grubości ścianek poszczególnych kolumn otworu wiertniczego

b₁=8,9mm b₂=7,3mm b₃=6,4mm

Maksymalne ciśnienie zgniatające dla poszczególnych kolumn

=16,44
26,62

26,62
42,70

42,70

D_z - średnica zewnętrzna otworu

b - grubość ścianki

Re - liczba Reynoldsa

A,B,C - współczynniki tablicowe

P_zg1=11,9MPa P_zg2=17,3MPa P_zg3=27,5MPa

Maksymalne ciśnienie rozrywające dla poszczególnych kolumn

D_z - średnica zewnętrzna otworu

D_w - średnica wewnętrzna otworu

Re - liczba Reynoldsa

P_rw1=1825kN P_rw2=1024kN P_rw3=491kN

Dopuszczalna długość kolumny na zginanie

n - współczynnik bezpieczeństwa

γ - gęstość płuczki

P_zg - ciśnienie zgniatające

H_z1=833m. H_z2=1209m. H_z3=1926m.

Dopuszczalna długość kolumny na rozrywanie

P_rw - ciśnienie rozrywające

q - jednostkowy ciężar rury

K - współczynnik bezpieczeństwa

g - przyspieszenie ziemskie

H_r1=1761m. H_r2=1833m. H_r3=1647m.

Wszystkie obliczone wartości dla stali H-40 są do przyjęcia a więc przyjmujemy gatunek stali H-40.

10.Dobór płuczki wiertniczej:

Ciśnienie złożowe

H - głębokość otworu

ρ - gęstość wody

g - przyspieszenie ziemskie

S - zwierciadło wody

P_zł=16,2MPa

Ciśnienie górotworu

h₁ - miąższość warstwy

ρ_sk - gęstość skały

g - przyspieszenie ziemskie

P_g=36,9MPa

Ciśnienie szczelinowania

P_sz=26,5MPa

Minimalna gęstość płuczki

ρ_min=1100kg/m³

Maksymalna gęstość płuczki

ρ_max=1803kg/m³

Dobieramy gęstość płuczki

ρ=1300kg/m³

11.Konstrukcja filtra:

Temperatura dla warstwy wodonośnej (gradient temperatury w Polsce 33˚/1000m. )

T=50˚C

Lepkość wody w temperaturze 50˚C

μ=0,3Pa*s

Średnice ziaren dla porowatości 10%

d₁₀=1,1mm

Współczynnik C

C=6,02

Przepuszczalność warstwy

K₁=9,6*10^-3cm²/s²

K₂=3,2*10^-3cm²/s²

Wartość średnia przepuszczalności

K=6,4*10^-3cm²/s²

Prędkość krytyczna

V_kr=2,6*10^-3cm/s

Przyjmujemy od trzech do czterech poziomów depresyjnych (różnic między poziomem statycznym a dynamicznym) i obliczamy promień zasięgu leja, rzeczywistą wydajność oraz długość filtra.

Poszczególne poziomy depresyjne

S₁=1,0m. S₂=2,0m. S₃=1,7m.

Promienie zasięgu leja

R₁=2,40m/s R₂=4,80m/s R₃=4,08m/s

Wydajności rzeczywiste

r_f - promień filtra

Q₁=3,69*10^-4m³/s Q₂=6,27*10^-4m³/s Q₃=5,57*10^-4m³/s

Najbardziej zbliżona do oczekiwanej wydajności teoretycznej jest wydajność rzeczywista dla poziomu depresyjnego S₃.

Długość filtra

d_f - średnica filtra

l_f=113m.

Uwzględniając warunek dotyczący długości filtra l_f=(0,4-0,8)*H przyjmujemy długość filtra w granicach wynikających z warunku.

Rzeczywista długość filtra

l_f=160m.

Szerokość szczelin filtra

0,14<t<5,0mm t=0,4mm

Długość szczelin

l=150mm

Odległość między rzędami szczelin

c=15mm

Odległość między kolumnami szczelin

b= 7 t

b=2,8mm

Współczynnik przepustowości filtra

n₁=157,60 n₂=59,06

Ilość szczelin

n=9308

Łączna powierzchnia szczelin

f=0,558m²

Powierzchnia perforowana

F=30,31m²

Współczynnik m₁

m₁=0,018

Obliczenia wytrzymałościowe dla stali filtra

Stal H-40

Smukłość D_z/b=12,56

Liczba Reynoldsa Re=275,57MPa

Maksymalne ciśnienia zgniatające dla stali H-40

P_zg1=40,34MPa P_zg2=36,89MPa

Maksymalna wytrzymałość filtra na zgniatanie

P_zg=39,61MPa

Filtr może być wykonany ze stali H-40 ponieważ ciśnienie P_zg jest większe od ciśnienia P_zg2.

Długość rury podfiltrowej wynosi 10m. ponieważ głębokość studni jest większa od 90m.

12.Projekt obsypki

Współczynnik obrazujący nierównomierność ziaren

U=1,34

Obliczanie wytrzymałości filtra przy obsypce żwirowej

Dopuszczalna prędkość podnoszenia się obsypki

P_zg - ciśnienie zgniatające

ρ_z - gęstość żwiru

V - prędkość opadania żwiru

k - współczynnik bezpieczeństwa

H - głębokość otworu

g - przyspieszenie ziemskie

ρ_w - gęstość wody

ρ_n - gęstość nasypanego żwiru

V_d=0,25m/s

Prędkość opadania żwiru

w - współczynnik zależny od średnicy ziaren

d₀ - średnica ziaren obsypki żwirowej

V=0,14m/s

Ciśnienie zgniatające wywołane ciężarem opadającego żwiru

P_z=30,83MPa

Wydatek tłoczenia obsypki

Q_d=1,5*10^-3m³/s

13.Projekt przewodu wiertniczego i świdra

a)dobór świdra

Świder firmy Hughes Tool Co.

Typ J4 Kod IADC 216 Nacisk jednostkowy 600N/mm Obroty 80obr/min Średnica 98,4mm

Nacisk na świder

P=59040N

b)dobór obciążników

Średnica zewnętrzna obciążników

d_z=78,72mm

z tablic

d_z=79,40mm

Ciężar jednostkowy obciążników

q=32,7kg/m.

Średnica wewnętrzna obciążników

d_w=31,80mm

Ciężar obciążników

k -

Q=76752N

Ciężar jednostkowy obciążników w płuczce

- gęstość płuczki

- gęstość stali

m - ciężar obciążników

q_p=266,64kg/s²

Długość obciążników

L'=287,85m.

Liczba obciążników

n_o=48

Długość obciążników

L=288m.

14.Obliczanie mocy stołu wiertniczego

Moc wymagana do zwiercania skały

n - obroty

k=1,4

P - nacisk

D_o - średnica otworu

N₁=81732,9W

Moc związana z tarciem przewodu o ścianę

Kąt odchylenia otworu α=5˚

Współczynnik skrzywienia otworu c=28,8*10^-5

Średnica zewnętrzna rur płuczkowych d_z=60,3mm

Średnica wewnętrzna rur płuczkowych d_w=46,1mm

Grubość ścianki b=7,1mm

Pole przekroju F=11,89*10^-5m²

Ciężar q=9,32kg/m.

N₂=3539,7W

Moc stołu wiertniczego

N=85272,6W

15.Dobór rur płuczkowych

Wskaźnik przekroju

d_z- średnica zewnętrzna rur płuczkowych

d_w- średnica wewnętrzna rur płuczkowych

W=2,83*10^-5m³

Ciśnienie płuczki w przewodzie

μ- lepkość wody w temp. 20˚c

Q- wydatek

ρ- gęstość płuczki

L- długość otworu

p=0,5MPa

Moment skręcający

N- moc

n- obroty\

M_s=10127Nm

Technologiczna obciążalność rur

F- pole przekroju

Re- granica plastyczności

b- grubość ścianki rury płuczkowej

Q=730049N

Wydatek dla rur płuczkowych

Q=1,86*10^-3m³/s

Wydatek dopuszczalny

k- współczynnik bezpieczeństwa (1,15 - 1,55)

Q_dop=1,32*10^-3m³/s

Ciężar obciążników w płuczce

s - współczynnik bezpieczeństwa (1,25 - 1,60)

P_obc=40282N/m

Dopuszczalna długość rur płuczkowych

P_obc- ciężar obciążników w płuczce

q_p- ciężar jednostkowy rur płuczkowych w płuczce

L_dop=1220m.

Obliczanie objętości płuczek wiertniczych

D_s- średnica świdra

l₁- długość pierwszej kolumny

V_p1=21,1m³ V_p2=61,9m³ V_p3=96,3m³

16.Cementowanie

Objętość zaczynu cementowego

D_s- średnica świdra

D- średnica zewnętrzna kolumny

L- długość kolumny

V_z=8,7m³

Gęstość zaczynu cementowego

w- współczynnik wodno cementowy (w=0,5)

ρ_c- gęstość cementu 1869 kg/m³

ρ_w- gęstość wody 1000 kg/m³

ρ_z=1449kg/m³

Masa cementu

V_str- współczynnik uwzględniający straty cementu w czasie trwania cementowania =1,05

M_c=8825,6kg

Masa i objętość cieczy zarobowej

M_cz=4350kg

V_w=4,35m³

Objętość korka cementowego wewnątrz kolumny

L_k- długość korka cementowego

V_k=0,016m³

Powierzchnia przekroju przestrzeni pierścieniowej

L- długość kolumny

F_p=5,78*10^-3m²

Prędkość przepływu zaczynu cementowego w przestrzeni pierścieniowej

V_zc=1,2m/s

Wydajność przepływu zaczynu cementowego

Q_zc=6,9*10^-3m³/s

Maksymalne ciśnienie w głowicy cementacyjnej

Ciśnienie potrzebne do pokonania oporów przepływu cieczy wiertniczych wewnątrz kolumny

λ_p- współczynnik strat na tarcie płuczki 0,02

ρ_p- gęstość płuczki

L- długość kolumny

P_opw=119Pa

Ciśnienie potrzebne do pokonania ciśnień hydrostatycznych

P_ch=2,23MPa

Ciśnienie potrzebne do pokonania oporów przepływu cieczy wiertniczych w przestrzeni pierścieniowej

λ_z- współczynnik strat na tarcie zaczynu cementowego 0,035

P_opp=1,93MPa

P_max=4,17MPa

Używane będą dwa agregaty cementacyjne firmy Halliburton z pompami HT-400 o mocy hydraulicznej 416kW i wydajności 3,5*10^-3m³/s

17.Dobór urządzeń wiertniczych

Do wiercenia otworu zastosowana została wiertnica firmy Wirth.

Parametry techniczne.

Typ urządz.

Głębok wierc.

Począt średniwierc.

Końc średni wierc.

Wysokmasztu

Udźw na haku

Głow napęd

Sprężar

Rury płuczk

Silnik napęd

Metoda wierc

Sposób transp

Masa wiertni

Wirth B4A

600

1,5

1,0

16,5

600

-pręd obr. 0-3,08 -mom obrot 30 -udźwig 20 -skok 7,0

Bauer -liczba 1 -strum objęt. pow. 0,168 -ciśnie spręż 1,47

-typ kołnierz -śred. znamion 0,20

Deutz -liczba 1 -moc 220 -pręd. obrot. 38,33

-obrot. z prawym i odwrot obieg. płuczki

samo- jezdna

34000

18.Ocena sprawności studni według formuły Jacoba

Współczynnik oporu studni „C''

s/Q-B- suma oporów filtra i strefy przyfiltrowej warstwy wodonośnej

BQ- depresja rzeczywista

CQ² lub CQ⁴- zeskok depresji

S/Q- jednostkowy opór hydrauliczny ujęcia

B- jednostkowy opór warstwy wodonośnej

C- współczynnik oporu studni

S- depresja w kolejnym stopniu pompowania

Q- wydatek w kolejnym stopniu pompowania

19.Projekt pompowania próbnego

Wyróżniamy dwa etapy pompowania:

-pompowanie oczyszczające

-pompowanie pomiarowe

Pompowanie oczyszczające ma na celu oczyszczenie otworu z pozostałości oraz pobranie próbek wody. Należy je kontynuować aż do uzyskania odpowiedniej czystości wody.

Pompowanie pomiarowe należy przeprowadzić z trzema zadanymi stałymi wydajnościami 1/3Q, 2/3Q, Q.

20.Dobór pompy eksploatacyjnej.

Do eksploatacji dobrana została pompa TP 100-60 z serii 200.

---