Актуальность магистерской работы
В процессе бурения и испытания скважин вследствие явлений горно-геологического характера возникают нарушения технологического процесса, называемые осложнениями. Это поглощения буровых и тампонажных растворов, газоводопроявления, выбросы пластовых флюидов с буровым раствором, прихваты бурильных и обсадных колонн, осыпи и обвалы горных пород. В проектах на строительство буровых скважин предусматриваются возможности и условия появления осложнений, разрабатываются мероприятия по их предотвращению и ликвидации. Но эти расчеты не всегда основаны на точной информации о горно-геологических условиях бурения. Проходка разведочных скважин нередко проектируется по информационным данным о горных породах и пластовых флюидах, полученным по соседним площадям. Именно этим объясняется возникновение ситуаций, когда основные технологические параметры становятся несовместимыми с условиями бурения.
Определенная часть осложнений переходит в аварии. Аварией считается нарушение непрерывности технологического процесса строительства скважины, требующее для его ликвидации проведения специальных работ, не предусмотренных проектом.
Основной причиной возникновения аварий является нарушение параметров технологии бурения буровой бригадой, несоблюдение инструкций и требований проектных документов.
Изучение аварий, методов их предупреждения и ликвидации является актуальной проблемой.
Авария – это непредвиденное нарушение непрерывности технологического процесса бурения или испытания скважин, требующее для его ликвидации проведения специальных работ, не предусмотренных проектом. Характерными видами аварий бывают поломки бурильных или обсадных колонн с оставлением в стволе скважины отдельных элементов, потеря подвижности колонн труб, смятие или нарушение обсадных колонн и др. Аварии возникают при работе в осложненных условиях. Если осложнение не ликвидируется, оно может быть причиной аварии.
Осложнением является нарушение нормального состояния скважины, в результате которого дальнейшее углубление затрудняется или должно быть временно прекращено во избежание аварии. Осложнения как нарушения непрерывности технологического процесса строительства скважины вызываются явлениями горно-геологического характера.
Один из самых распространенных, многообразных, сложных и трудоемких типов аварии в разведочном бурении – прихваты. На их долю приходится до 60-80 % аварийного времени. Кроме того, обрывы, развертывания и падения инструмента часто сопровождаются прихватами или предшествуют им.
Прихватом называют непредвиденное при бурении скважины нарушение процесса, которое характеризуется потерей подвижности колонны и не может быть ликвидировано при приложении допустимых нагрузок.
Требования к устройствам для ликвидации аварий: все создаваемые устройства должны вписываться в малые диаметры современных скважин, а при пересечении осложненных прихватоопасных зон - легко и быстро включаться в состав бурового снаряда.
Ударные устройства для ликвидации прихватов (УМЛП) предназначены для освобождения прихваченных бурильных колонн ударами вверх и вниз. Наибольшая эффективность достигается при ликвидации прихватов типа заклинивания. В основе любого УМЛП обязательно наличие бойка, перемещающегося в корпусе и наносящего удары по наковальне, жестко связанной с прихваченной частью колонны. Конструктивные особенности и универсальный характер ударных механизмов, показывающих достаточную надежность при ликвидации большинства типов прихватов, свидетельствуют о перспективности данного класса машин.
В Донбассе бурение в основном ведется по полям угольных шахт, где имеется огромное количество зон поглощений, которые обусловлены влиянием горных работ. Вследствие этого возможность возникновения прихватов в результате ухода промывочной жидкости увеличивается во много раз.
Цели и задачи магистерской работы
Объектом работы является устройство для ликвидации прихватов бурового снаряда. Данная работа является продолжением исследований магистра ДонНТУ Гончарук Н.В.
Цель работы – совершенствование устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда
Задача – достижение нанесение ударов в двух направлениях даже при полном перекрытии забоя скважины за счет обеспечения перетекания жидкости через осевой канал поршня после установления в его седле запорного клапана, а также постоянной связи полости под поршнем устройства со скважиной, фиксации штока устройства в двух положениях, и подача промывочной жидкости на забой скважины независимо от положения штока устройства.
Аналитический обзор
Устройства, в которых реализуется потенциальная энергия сжатого тела нашла в данное время наиболее широкое применение в практике бурения скважин. Эти устройства отличаются значительным многообразием конструктивных разработок.
Ударные устройства, называемые еще яссами предназначены для освобождения прихваченных бурильных колонн ударами вверх и вниз. Наибольшая эффективность достигается при ликвидации прихватов типа заклинивания. В основе любого ударного механизма (УМ) обязательно наличие бойка, перемещающегося в корпусе и наносящего удары по наковальне, жестко связанной с прихваченной частью колонны.
Различают следующие виды УМ:
- со свободным бойком, наносящим непрерывные удары по наковальне с силой, пропорциональной собственной массе. Эти УМ известны как гидроударники или гидровибраторы;
- с бойком и присоединенной к нему массой в виде части бурильной колонны, на которой УМ спущен к месту прихвата.
УМ первого типа генерирует вибрации с частотой 25 - 50 гц, передающиеся к месту контакта труб с глинистой коркой, сальником или шламом. Под действием вибрации происходит разжижение среды в зоне ее контакта с инструментом, уменьшается ее прочность на сдвиг, а следовательно, уменьшается сопротивление перемещению прихваченной колонны.
Наибольшее распространение получили ударные устройства, которые реализуют энергию упругой деформации твердого тела. Рабочий цикл этих устройств можно разбить на фазы.
Первая фаза – сжатие или растягивание упругого элемента. Осуществление этого периода работы предполагается наличие «затвора», что обеспечивает фиксацию бойка при накоплении потенциальной энергии.
На второй фазе происходит размыкание «затвора». Этот этап рабочего цикла предполагает освобождение бойка путем размыкания «затвора».
После размыкания «затвора» едёт фаза перемещения бойка, который, достигая наковальни, связанного с прихваченной частью снаряда передает ей накопленный запас энергии.
Традиционно в качестве элемента, который накапливает энергию упругой деформации, использовалась бурильная колонна. Подобные устройства способные передавать мощные динамические нагрузки на прихваченный снаряд. Но область применения таких механизмов ограничивается глубиной буровых скважин.
Для ликвидации прихватов в мелких скважинах могут быть рекомендованы УМЛП, в которых деформируемым элементом является пружина. Эти устройства немногочисленны и пока не нашли широкого применения. Но они могут быть перспективными на маленьких глубинах, так как параметры не зависят от глубины буровой скважины.
К УМЛП, которое реализует энергию упругой деформации бурильной колонны, относится большинство известных механических и гидравлических ясов.
Механические ясы отличаются более простой конструкцией, поэтому они наиболее распространены. Из отечественных устройств этого типа известны УЛП-190-1, ВУК и РШ-73.
Обоснование направления работ
Прототипом для усовершенствования является ударный механизм РШ-73 и УМ-89Г.
К их недостаткам можно отнести отсутствие влияния промывного агента на забой в процессе ликвидации прихвата.
Описание разработанного механизма
Cостав устройства
В состав устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда входят: корпус 1 с дренажными отверстиями 2, наковальней 3 и переходником 4, шток 5 с бойком 6, установленные в корпусе 1, и втулка 7, в осевом отверстии которой установлен шток 5 с проточками 8 и 9. Во втулке 7 выполненные радиальные отверстия, у которых установленные фиксаторы 10, что в исходном положении располагаются в проточке 8. Под перегородкой установлен поршень 11, выполненный в виде стакана, который охватывает втулку 7. Пружина 12, размещенная под поршнем 11, опирается на переходник 4. В осевом канале 13 поршня 11 установлен полый патрубок 14 с прорезями в верхней части, нижней частью жестко соединенный с переходником 4. Между поршнем 11 и патрубком 14 установлено уплотнение 15. В поршне 11 выполнено седло 16. В наковальне 3 установленного штифта 17, вставленные в прорези 18 штока 5. В седле 16 размещается запорный клапан 19.
Устройство работает таким образом:
При использовании после возникновения прихвата в скважине, он спускается к прихваченого объекту на бурильных трубах (не показанные), соединенных с штоком 5. При этом промывание скважины осуществляется через осевые каналы устройства. Уплотнение 15 предотвращает перетекание жидкости в скважину через дренажные отверстия 2. При соединении устройства с прихваченным инструментом переходником 4, к которому может дополнительно крепиться ловильный инструмент (не показанный), вращение от бурильных труб на корпус 1 передается через штифты 17, вставленные в прорези 18 штока 5. Потом по бурильным трубам сбрасывают запорный клапан 19, который размещается в седле 16 и перекрывает осевой канал 13 в поршне 11.Когда шток 5 двигается вверх, проточка 9 беспрепятственно проходит мимо фиксаторов 10, поскольку поршень 11 либо еще двигается вниз, либо уже содержится в нижнем положении за счет перепада давления на щели между запорным клапаном 19 и поршнем 11. Кроме того, для перемещения фиксаторов 10 в проточку 9 и заклинивания их там, поршню 11 необходимо переместиться наверх на некоторое расстояние. Однако, поскольку перемещение штока 5 происходит со значительной скоростью, то подбором жесткости пружины 12 и перепада давления на зазоре между клапаном 19 и поршнем 11 нетрудно добиться того, чтоб перемещение поршня 11 за время прохождения проточки 9 мимо фиксаторов 10 было незначительным или вообще отсутствовало.
Для нанесения удара вниз сбрасывают давление жидкости в полости бурильных труб и медленно опускают их до совмещения проточки 9 с отверстиями во втулке 7. При этом за счет пружины 12 поршень 11 переместится вверх, заводя фиксаторы 10 в проточку 9, и зафиксирует их там. После этого создают осевую нагрузку на бурильные трубы и включают насос. За счет давления жидкости поршень 11 перемещается вниз, фиксаторы 10 под действием силы со стороны штока 5 выходят из проточки 9. Под действием упругой силы сжатых бурильных труб шток 5 перемещается вниз и наносит мощный удар бойком 6 по втулке 7. При этом поршень 11 за счет перепада давления на зазоре между ним и клапаном 19 будет удерживаться в нижнем положении. При этом жидкость подается на забой скважины по полости патрубка 14. После этого насос выключают, поршень 11 возвращается в исходное положение, заводя фиксаторы 10 в проточку 8. Потом цикл работы повторяется. Удары, которые передаются на прихваченный снаряд во время работы устройства, приводят к освобождению снаряда от прихвата. В процессе нанесения ударов на забой скважины также периодически подается промывочная жидкость, которая размывает шламовые пробки или породы, которые осыпались, и создает нормальную циркуляцию в скважине.
Для нанесения ударов только в одном из направлений необходимо оставлять насос включенным до возвращения штока 5 в положение, при котором происходит накопление энергии в бурильных трубах для удара в необходимом направлении.
Устройство также может включаться в состав бурового снаряда. При этом в процессе бурения скважины вращательный момент на забой передается штифтами 17, усилие нагрузки - боек 6 на втулку 7, а усилие разгрузки – фиксаторами 10 на втулку 7. В случае возникновения прихвата запорный клапан 19 сбрасывают по бурильным трубам и он садится в седло 16. Последующая работа устройства аналогична.
Преимущества разработанного механизма.
Удары наносятся в двух направлениях даже при полном перекрытии забоя скважины.
Устройство можно включать в состав снаряда, который значительно сокращает время между возникновением аварии и началом его ликвидации.
Устройство состоит из деталей, которые не требуют сложной обработки при их изготовлении. Поэтому большинство деталей может быть изготовлено у мастерских ГРЭ.
ВЫВОД
В результате выполнения работы усовершенствован комплекс противоаварийного инструмента для разведывательных буровых скважин. Применение данного устройства дает возможность нанесения ударов в двух направлениях при полном перекрытии забоя скважины и обеспечивает подачу промывочной жидкости на забой скважины независимо от положения штока устройства.
Список использованной литературы
1.О.И.Калиниченко, П.В.Зыбинский.Забойные буровые машины: Учебное пособие. – 2-е изд.,исправл. и доп.- Донецк: ДонНТУ, 2006
2.Коломоец А.В., Ветров А.К.Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении. – М.: Недра, 1977. – 200с.
3.Самотой А.К. Анализ эффективности способов ликвидации прихватов. - М.: ВНИИОЭИГ, 1983. - 67 с.
4.Инструкция по борьбе с прихватами колонн труб при бурении скважин. - М.: Недра, 1976. - 67 с.
5.Абатуров В.Г. Бурение в сложных геологических условиях. - Институт нефти и газа ТюмГНГУ, 2003
