Разрабатываемое устройство относится к насосостроению, касается пульсирующих насосов и может быть использовано при бурении скважин в условиях полного поглощения промывочной жидкости.
Цель и задачи работы
Целью магистерской работы является - разработка математической модели работы пульсирующего насоса для бурения в скважинах с низким динамическим уровнем, установление закономерности работы, разработка практической конструкции этого механизма.
В ходе работы необходимо решить следующие задачи:
определить минимальную скорость восходящего потока промывочной жидкости, обеспечивающей вынос частиц разрушенной породы в шламовую трубу, и соответствующий ей расход;
определить время движения частицы породы от забоя до шламовой трубы;
установить характер зависимости расхода промывочной жидкости от времени;
определить продолжительность этапа вытеснения и рациональную длину цилиндра насоса;
определить время на заполнение жидкостью цилиндра;
определить частоту пульсаций.
Предполагаемая научная новизна
На основании уравнения Бернулли для неустановившегося потока реальной жидкости будет разработана математическая модель рабочего цикла пульсационного насосного агрегата для бурения скважин в условиях полного поглощения промывочной жидкости.
В ходе выполнения работы планируется:
выполнить анализ конструкций современных технических средств для перебуривания интервалов скважины, характеризующихся интенсивным поглощением промывочной жидкости, выделены их область применения, преимущества и недостатки;
определить рациональные конструкторские параметры пульсационного насоса 89мм для бурения в скважинах с низким динамическим уровнем;
разработана конструкция погружного объёмного пневматического вытеснителя, выполнены рабочие чертежи.
Предполагаемая практическая ценность
Для Донбасса весьма актуальной остаётся нерешённая до сих пор проблема повышения эффективности бурения скважин в условиях поглощения промывочной жидкости в проницаемые зоны геологического, и особенно техногенного характера.[12]В этом случае наблюдается значительное понижение динамического уровня жидкости в скважине. Затраты времени и средств на ликвидацию поглощения, производство и доставку очистного агента, а также устранение возможных последствий резкого снижения уровня жидкости, заключающихся в обвале стенок скважины, существенно снижают эффективность буровых работ.
Именно в подобных условиях целесообразно использовать призабойную пульсирующую промывку забоя скважины оставшейся в ней жидкостью, с применением погружных пневматических вытеснителей.
Технология призабойной промывки экологична, так как осуществляется находящимся в скважине естественным очистным агентом без специальных реагентов. При этом нет необходимости доставки на буровую промывочной жидкости.
Обзор существующих исследований и разработок
В первых конструкциях снарядов для бурения с местной циркуляцией делались только дополнительные отверстия для вывода жидкости в затрубное пространство при расхаживании снаряда. Впоследствии для улучшения циркуляции жидкости ниже отверстий стали помещать шаровой клапан, что обеспечивало более надежную циркуляцию жидкости и лучшее продвижение керна внутрь колонковой трубы. [2,c. 58-63; 5,c. 124-129]
Рисунок 1.
Анимация бурения с местной циркуляцией,
осуществляемого
обычными снарядами.
( 7 кадров, размер 80,7 Кб)
Способ бурения с местной циркуляцией, осуществляемый обычными снарядами, имеет ряд недостатков, которые ограничивали его распространение. Основными из них являются следующие: необходимость частого расхаживания снаряда, что при ручной подаче или с лебедки утомляет машиниста и приводит к быстрому износу бурового оборудования; выпадение керна из колонковой трубы при расхаживании снаряда и разрушение его коронкой; зашламование скважины, что приводит к авариям - прижогам коронки и прихватам снаряда; зашламование шарового клапана с прекращением циркуляции жидкости и затиранием керна в колонковой трубе; резкое снижение проходки за рейс при бурении сыпучих или очень вязких грунтов.[1,c. 84-87; 8,c. 144-145,
4.]
Исследования этого способа бурения привели к созданию погружных насосов, приводимых в действие сжатым воздухом, и разработке принципиально новых схем бурения с их использованием.
Перспективна при промывке скважин с незначительным количеством жидкости в призабойной части, технологическая схема с использованием поршневого насоса с приводом от пневмодвигателя, разработанная В.В. Кудряшовым.
Однако, широкого распространения такая схема не нашла вследствие ряда недостатков, присущих включаемым в ее состав поршневым пневмонасосам, а именно: конструктивная сложность, вызванная необходимостью тщательной герметизации рабочих камер и применением собственной лубрикаторной системы для смазки трущихся поверхности; ненадежность в зашламованной среде золотникового распределения рабочего агента; высокая стоимость. В США впервые разработан и апробирован в производственных условиях погружной пневматический пульсационный насос, технологическая схема бурения скважины с применением которого, приведена на рисунке 2. [7,c. 46-49; 3,c. 182-185,11]
Рисунок 2. Схема бурения с местной промывкой, создоваемой погружным пневматическим пульсационным насосом.
С целью повышения надежности, путем согласования работы распределителя с процессами нагнетания и всасывания промывочной жидкости, в рабочей полости насоса разработан пульсационный насосный агрегат по а.с. №769086 F04В 47/00 1978. Это достигается тем, что распределительный механизм имеет дополнительный поплавковый клапан, установленный с возможностью осевого перемещения относительно тяги и расположенный над поршнем, причем последний со стороны верхнего торца снабжен седлом для взаимодействия с упомянутым поплавковым клапаном и сквозными осевыми отверстиями, а со стороны нижнего торца подпружинен. [9,c.203-204.
5,6]
На рисунке 3а изображен продольный разрез ППН с положением деталей узла распределительного механизма в верхнем крайнем (при нагнетании жидкости из рабочей полости насоса в скважину), на рисунке 3б - тоже детали узла распределительного механизма в нижнем положении (при всасывании жидкости из затрубного пространства скважины).
Рисунок 3.Продольный разрез ППН с положением деталей узла распределительного механизма
Наиболее близким по технической сущности к разрабатываемому устройству, является пульсационный насосный агрегат по а. с. № 987173 F 04В 47/00, 1981. Его конструкция состоит из собранных в одном корпусе двухклапанного воздухораспределительного механизма ВМ, согласующего устройства и насоса.[1,c. 93-95; 10,c. 32-33]
Рисунок 4. Пульсационный насосный агрегат по а. с. № 987173 F 04В 47/00
Недостатком известного механизма является конструктивная сложность, кроме того, применение шарикового замка обуславливает высокие контактные напряжения в затворе, золотнике и корпусе, что отрицательно сказывается на надёжности работы устройства.
Планируемые и полученные собственные результаты
Пульсационные насосы могут быть весьма эффективными при перебуривании зон, связанных с поглощением промывочной жидкости, в том числе и техногенного характера. Их применение может дать весьма ощутимый экономический эффект в связи с экономией на промывочных жидкостях при проходке скважин. В работе предложена методика расчёта рабочих параметров пульсационного насоса, реализующего внутрискважинную прямую циркуляцию промывочной жидкости. Разработана практическая конструкция пульсационного агрегата с пневматической перестановкой клапанной группы, её трёхмерная компьютерная модель и рабочие чертежи.
Пример разрабатываемого пульсационного насосного агрегата представлен на рис. 5
Рисунок 5. Схема разрабатываемого устройства
Заключение
Анализ и проведённые ранее работы, показали перспективность применения в проницаемых зонах внутрискважинной пульсирующей промывки с помощью погружных пульсационных насосов, используя остающийся в скважине небольшой столб жидкости. При этом нет необходимости в затратах, связанных с её производством и доставкой, а так же проведением тампонажных работ, которые, не всегда надёжно изолируют проницаемую зону техногенного характера. Однако возможности внутрискважинной пульсирующей промывки практически не реализованы из-за быстрого насыщения шламом незначительного количества жидкости в скважине, что негативно влияет как на процесс бурения, так и на работу погружного технологического оборудования.
Таким образом, развитие технологии внутрискважинной пульсирующей промывки в условиях влияния техногенных зон представляет собой важную проблему.
Литература
Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин. – М.: Недра, 1994. – 196 с.
Суреньянс С.Я. Эксплуатация водяных скважин. – М.: Стройиздат, 1976. – 129 с.
Шерстнев Н.М., Расидзе Я.М., Ширинзаде С.А. Предупреждение и ликвидация осложнений в бурении. – М.: Недра, 1979. – 224 с.
Ясов В.Г. Ликвидация поглощений промывочной жидкости при бурении разведочных скважин. М.: Недра, 1964. – 100 с.
Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Недра, 1982. – 384 с.
Алексеев Ю.Ф., Надежкин А.Д. Пути увеличения выноса керна. М., Гостоптехиздат, 1963.
– 285 с.
Атякин А.К., Волокитенков А. А. Опробирование и бурение разведочных скважин в осложненных условий. М.,Гостоптехиздат,
1963. – 231 с.
Бажутин А.Н. Результаты испытаний погружного пневматического поршневого насоса со спец. шламовыми трубами. "Разведка и охрана недр". 1962.
– 134 с.
Воздвиженский Б.И., Большаков В.В. О классификации пород и полезных ископаемых по трудности извлечения из них кернов. 1962.
– 223 с.
Волков С.А. Мероприятия по повышению выхода керна. "Разведка и охрана недр". 1959.
– 356 с.
Волков С.А., Боголюбский К.А. Безнасосное бурение. М., Госгеолтехиздат, 1956.
– 305 с.
