RUS UKR ENG ДонНТУ Портал магістрів ДонНТУ

Рудковська Кристина Олександрівна

Автореферат

Вступ

Прихвати і обриви є найбільш поширеними видами аварій, приводять до передчасного виходу з ладу устаткування і інструменту. Часто обриви, розгвинчування і падіння інструменту відбуваються одночасно з прихватами бурового інструменту або колонкового набору.

На ліквідацію таких аварій витрачається в середньому від 30 до 80% непродуктивних витрат часу і коштів.

Розрізняють наступні типи обривів:

По місцю зламу: 1) у стислій частині бурильної колони; 2) у розтягнутій частині бурильної колони.

По місцю обриву: 1) у цілому тілі бурильних труб, замків і муфт; 2) у різьбових з'єднаннях бурильних труб; 3) у з’єднувальному ніпелі перевідника колонкової труби на бурильні труби. Останній вид має підвиди: обрив тіла труб в місці нарізки; зрив витків трубних різьб, деталей замка, муфт і самої труби; поломка корпусу ніпеля замку; зрив ниток різьблення конуса ніпеля; розкришення окремих витків конуса ніпеля 

[3] 

.

За формою обриву: 1) клиновидний; 2) прямій; 3) фігурний; 4) спіралевидний.

По кількості руйнувань, що виникають одночасно: 1) одинарний; 2) подвійний.

По характеру операцій, що проводяться: 1) спуск: бурового снаряда; 2) установка снаряда на вибій; 3) поглиблення свердловини; 4) підйом бурового снаряду; 5) натягнення або розходження бурильної колони; 6) в процесі заклинювання керну 

[1] 

.

По обірваному кінцю в свердловині: 1) у жолобах, кавернах і порожнечах; 2) паралельно осі свердловини.

За часом виявлення обриву: 1) безпосередньо після виникнення; 2) своєчасно не відмічений 

[3, 5] 

.

Причиною обриву колони бурильних труб в загальному випадку найчастіше виступає вчасно не відмічений прихват снаряду. Ці види аварій часто з'являються одночасно. Прихвати відрізняються великою складністю і трудомісткістю ліквідаційних робіт. Прихвати колонкових наборів і породоруйнуючих інструментів розділяються на наступні види:

1. Прихват шламом.

Цей тип аварій - найчисленніший в групі прихватів. Прихвати снаряда шламом відбуваються при всіх способах розвідувального буріння. Найчастіше прихвати інструменту шламом виникають при припиненні циркуляції промивальної рідини, коли шлам осідає в кільцевому зазорі між колонковим набором і стінками свердловини, а при зворотній схемі циркуляції рідини  - між внутрішньою поверхнею колонкової труби і керном. Якщо шламу багато, то він може накопичуватися також над перехідником або шламовою трубою, заклинюючи снаряд не тільки по бічній поверхні, але і зверху.

Прихват шламом можливий при недотриманні вимог технології буріння; залишенні інструменту на забої без промивки і руху; використанні несправних насосів; закачуванню глинистого розчину з великим вмістом піску, невчасному чищенню відстійників, жолобів і приймальних ємкостей.

Часто такі прихвати виникають при бурінні під час часткового, повного і катастрофічного поглинання промивальної рідини 

[6] 

.

2. Прихват гірськими породами.

Він можливий при обвалі стінок свердловини, пріжозі коронок, затиску снаряду в'язкопластичними  породами, розклинюванні керном, розподіленим по стовбуру свердловини, при розчленовуванні колонкового набору рухомими блоками гірських порід з великими поверхнями ковзання, при затягуванні в жолоби, бурінні тріщинуватих зон, де спостерігаються окремі вивали та ін. Прихвати гірською породою також можуть бути верхніми, бічними і повними, з припиненням і без припинення циркуляції промивальної рідини.

Під пріжогом розуміється прихват бурового снаряда, викликаний спіканням матриці алмазної коронки з гірською породою або шламом. Причиною цього є повна відсутність або недостатня подача промивальної рідини на забій, внаслідок чого коронка і порода (шлам) нагріваються за рахунок тертя до високих температур і спікаются або зварюються між собою.

Значне число прихватів цієї групи обумовлено обвалом стінок свердловини при бурінні нестійких, слабо зв’язаних, тріщинуватих порід, тектонічних і закарстованих зон.

Якщо обрушуються стінки свердловини на значному інтервалі, то циркуляція припиняється і не відновлюється. Порода, що обсипається, накопичується в стовбурі, утворюючи висячі пробки над забоєм. Основною причиною цих ускладнень в осадкових товщах слід вважати фізико-хімічну дію промивальної рідини на породу.

Обвали спостерігаються також при різкому зниженні рівня рідини в свердловині після підйому снаряда на поверхню.

У скельних породах вивали можливі тільки при механічній дії бурильної колони. Прихват снаряда через обвал стінок може зустрічатися при поглибленні, спуско-підйомних операціях, заклинюванні керна, опрацьовуванні і розширенні стовбура, ліквідації аварій, витяганні обсадних труб.

Для вибору методу і технології ліквідації аварії розрізняють:

- Верхній прихват, коли колонковий набір затискається породою тільки вище перехідника або шламової труби.

- Боковий прихват, коли гірська порода потрапляє в кільцевий зазор між трубами і стінками свердловини і перешкоджає обертанню і витяганню снаряда на поверхню.

- Повний прихват, коли колонковий набір розкріплює і по бічній поверхні  і зверху (інструмент не обертається і не переміщується) 

[4] 

.

3. Прихват бурового снаряда керном

Така аварія може виникнути при підйомі бурового снаряду, під час якого з колонкової труби можуть випадати окремі шматки керну, розташовані в стінках свердловини і жолобах на різних інтервалах. При спуску коронка розклинюється між стінкою свердловини і керном, викликаючи прихват снаряду.

4. Прихват глинистою коркою.

Такий прихват виникає унаслідок прилипання бурового снаряду до глинистої корки під дією перепаду тиску рідини.

5. Прихват осколками заліза розбурених колонкових труб і породоруйнуючих інструментів або шматками муфтово-замкових з'єднань, що відкололися. Відбуваються вони в процесі або після розбурювання і фрезерування колонкових труб і коронок - за рахунок неповного видалення залишених осколків, попадання останніх в каверни і тріщини.

6. Прихват дробом.

7. Прихват предметами, що впали в свердловину.

Відбувається розклинювання інструменту предметами, що впали з поверхні (гайки, затисні плашки, ключі та ін.).

8. Складний (комбінований) прихват, що є поєднанням описаних вище видів прихватів 

[8, 9] 

.

Актуальність теми

Обриви, розгортання і падіння інструменту часто супроводжуються прихватами або передують їм. Прихват бурильної колони і, одночасно, її обрив є складною аварією, що вимагає величезних витрат часу і коштів на ліквідацію. Із зростанням глибин буріння технічних свердловин складність і тяжкість прихватів, а також процесу їх ліквідації безперервно зростають. Значно підвищуються витрати на допоміжні операції, пов'язані з попередженням і ліквідацією прихватів, а також передуючих їм ускладнень 

[6] 

.

Розробка і впровадження ефективних методів і технічних засобів попередження і ліквідації подібних аварій є однією з актуальних проблем буріння технічних свердловин.

Створення комплексу пристроїв, що складається із зовнішньої труболовки, що звільняється, і гідроударника дозволить скоротити час на ліквідацію аварії. Оскільки даний комплекс здійснює одночасно захоплення колони за обірвану частину труби і, утримуючи її, передає динамічні навантаження, сприяючі ліквідації прихвату. Оскільки обрив часто відбувається уздовж тіла труби або з утворенням нерівностей на її верхньому торці, то застосування саме труболовки дозволяє захопити і витягти колону. Здатність труболовки звільнятися від обірваної колони, коли прихват ліквідовувати не вдалося, є також великою перевагою даного комплексу. Оскільки аварійний інструмент витягується на поверхню, а не залишається в свердловині.

Мета і завдання розробок і досліджень

Метою даної роботи є розробка комплексу пристроїв для ліквідації обривів бурильної колони в свердловині, викликаних прихватом інструменту.

Ідеєю роботи є розробка технічних засобів, що скорочують час на ліквідацію обриву бурильної колони, викликаного прихватом.

Задачі, що вирішуються для досягнення поставленої мети:

- розробка принципових схем труболовки і гідроударника.

- проведення розрахунків пристроїв для вибору оптимальних параметрів захоплюючого вузла труболовки і параметрів гідроударника 

[2, 10] 

.

Предметом досліджень є конструкції існуючих труболовок і гідроударників.

Об'єктом досліджень виступають сучасні технічні засоби для ліквідації прихватів і обривів в свердловині.

Апробація роботи

Доповідь на тему «Розробка зовнішньої труболовки, що звільняється», на VIII Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів «Буріння», що проводилася в Донецьку 25 квітня 2008 р.

Отриманий диплом за активну участь і кращу доповідь на тему «Розробка технічних засобів для ліквідації аварій в розвідувальних свердловинах» на IX Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів «Буріння», що проводилася в Донецьку 23 квітня 2009 р.

Огляд досліджень і розробок по темі

Пристрої для ліквідації обривів різноманітні, проте найбільш ефективними є труболовки, що звільнюються. Однією з них є труболовка за авторським посвідченням №927960 (рисунок 1).

а                               б

Рисунок 1 – Труболовка: а – робочий стан, загальний вигляд; б – момент звільнення вузла захоплення від аварійної колони труб

Труболовка складається з корпусу 1 з внутрішньою порожниною А, який через переводник 2 сполучений з колоною бурильних труб. У конусній частині корпусу розміщено три плашки 3, сполучені з робочим циліндром 4 механізма звільнення труболовки від аварійних труб. Плашки 3 мають конічну форму тильної частини, внаслідок чого вони можуть переміщуватися по конічній поверхні корпусу 1, а з внутрішньої сторони - гребінчасту поверхню, яка забезпечує врізання плашки в тіло труби, що залишилася в свердловині. У циліндрі 4, виконаному з контрольним отвором для проходження рідини, розміщений поршень 5, сполучений з порожнистим штоком 6, що проходить через кришку циліндра 7. Шток 6 сполучений з переводником 2 і виконаний в нижній частині з радіальним отвором а. Між перевідником 2 і кришкою циліндра 7 розміщена пружина 8. Порожнистий шток 6 забезпечений розривною мембраною 9, наприклад з гуми, яка встановлена в його промивальному каналі. Переводник 2 має концентрично розташовані додаткові канали 10, що сполучають його порожнину Б з порожниною корпусу А, для подачі рідини в свердловину, і сідло 11 під заглушку 12, що скидується в свердловину, з крізним центральним каналом 13.

Труболовку на колоні бурильних труб спускають в свердловину і включають промивку. Рідина через канали 10 потрапляє в свердловину і проводить її промивку від шламу. Одночасно труболовка, дійшовши до верхньої ділянки аварійної труби, накриває її. Труба увійшовши до труболовку починає тиснути на плашки 3. Які у свою чергу через робочий циліндр 4 тиснуть на пружину 8, підводяться і пропускають трубу в труболовку. При підйомі труболовки плашки 3 під дією пружини 8 опускаються і захоплюють аварійну трубу.

У разі неможливості витягання колони обірваних труб, труболовку звільняють від прихопленої труби. Для цього через бурильні труби скидають заглушку 12, яка своїм нижнім кінцем руйнує мембрану 9, а бічною поверхнею перекриває канали 10 в переводнику 2. Промивальна рідина проходячи через центральний крізний канал 13 заглушок 12 потрапляє в порожнистий шток би і через отвір би входить в циліндр 4, переміщаючи його вгору щодо нерухомого поршня 5 до контрольного отвору а, після чого вона виходить з циліндра 4 і потрапляє в корпус 1 труболовки. Переміщаючись догори, циліндр 4 захоплює з собою захватні плашки 3, які звільняються від аварійної труби. Після цього труболовку вільно піднімають на поверхню 

[7] 

.

Найбільш ефективним методом ліквідації прихватів є гідроударний метод. Прикладом пристрою, що реалізує даний метод, 

може виступити гідроударник подвійної дії ГУ-168 (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема гідроударника ГУ-168 (ДонНТУ)

Гідроударник включає перехідник 1 жорстко пов'язаний з шліцьовим штоком 3 і муфтою 4, впускний клапан 5, клапанну коробку 6, штовхач 7, випускний клапан 8 з пазами 11, циліндр 9, поршень 10, палець 12, шток бойок 13, циліндр 14, бойок 15, ковадло 16, пружину 17 і корпус 18.

Блокування машини досягається, коли вона знаходиться в підвішеному положенні (при спуску або підйомі бурового снаряду). У стані, що блокується, шліцьовий шток 3, який виконаний спільно з муфтою 4, займає крайнє верхнє положення. Рідина проходить по каналу штока 1, і далі, через вікно «а» муфти 4 і вікно «б» клапанної коробки 6 потрапляє у верхню порожнину циліндра 9 (над поршнем 10), і через бічні вікна «в» і осьовий канал випускного клапана 8, канали в бойку 15 і ковадлі 16 виходить на забій свердловини.

Пуск машини в роботу досягається шляхом постановки її на забій і прикладенні до неї певного осьового навантаження. При цьому втулка 4 перекриває вікна «б», виключаючи можливість безпосереднього надходження рідини в свердловину.

У такому положенні деталей і вузлів (рисунок 2, а), робота гідроударника є традиційною для гідродвигунів подвійної дії з диференціальним поршнем і клапанним розподілом рідини. Рідина поступає в нижню порожнину циліндра 9 під поршень 10. Поршень бойок рухається вгору.

Оскільки на клапан 5 в цей же час діє сила, що притискує його до сідла клапанної коробки 6, випускний клапан 8, через штовхач 7 залишається нерухомим. При русі поршня вгору одночасно переміщається палець 12 по пазах 11, виконаних в хвостовику випускного клапана 8. На цій фазі роботи машини відбувається стиснення пружини 17.

Пройшовши відстань робочого ходу S, поршень 10 завдає удару по випускному клапану 8. За рахунок енергії удару і енергії стислої пружини 17 клапан 8 переміститься вгору. Одночасно, завдяки штовхачеві 7 відкриється впускний клапан 5, перемістившись вгору. Рідина почне поступати як у верхню, так і в нижню порожнини циліндра 9. Бойок продовжить рух вгору за інерцією до моменту, коли його кінетична енергія не буде повністю витрачена на подолання сили гідроторможіння на шляху (S1-S).

Після цього почнеться рух поршня вниз. Клапан 8 зберігає верхнє положення за рахунок сили притиснення його до нижньої торцевої поверхні клапанної коробки 6. Після проходження відстані S палець 12 завдасть удару по хвостовику клапана 8, за рахунок чого обидва клапани 5 і 8 перемістяться вниз. Доступ рідини у верхню порожнину циліндра припиниться. Рідина поступатиме тільки в нижню порожнину циліндра. Бойок 15 за рахунок накопиченої енергії продовжить рух вниз до зіткнення з ковадлом 16. Цикл роботи гідроударника повториться 

[4] 

.

Основний зміст роботи

Комплекс пристроїв розробляється для свердловин діаметром 93 мм, 112 мм. Діаметр пристроїв 89 мм. Призначений для підйому труб діаметром 50 мм.

Комплекс показаний на малюнку 3.

Гідроударник з труболовкой спускаються в свердловину на колоні бурильних труб, при цьому через пристрої вільно проходить промивальна рідина. При доходженні до обірваної колони труболовка за допомогою центруючої воронки нижньою своєю частиною накриває обірваний снаряд.

Труба увійшовши до труболовки починає тиснути на плашки 27. Які, 

у свою чергу 

, 

через робочий циліндр 20 тиснуть на пружину 17, підводяться і пропускають трубу в труболовку. При підйомі труболовки плашки 27 під дією пружини 17 опускаються і захоплюють аварійну трубу, заклинюючись в конусі 30. Конус ковзає в корпусі 26 вниз і стискає манжету 31, яка, розширюючись, герметизує кільцевий зазор між труболовкою і обірваною трубою. Це дозволяє промивати свердловину через аварійну колону, сприяючи подальшій ліквідації прихвату.

Рисунок 3 – Комплекс пристроїв. Позиції 1-15 - гідроударник; 16-31  - труболовка

Далі через колону бурильних труб скидається кульковий клапан 2, він займає положення в сідлі клапанної коробки 3 гідроударника.

Потік рідини проходить через вікна в муфті 7 і далі по міжтрубному простору поступає в нижню порожнину циліндра 8 під поршень 9. За рахунок тиску рідини Р на поршень, в циліндрі механізму формується сила Rв = P (fп - fш), яка забезпечує рух поршня-бойка вгору (fп - площа поршня 9; fш - площа штока 10).

Оскільки на клапан 2 в цей же час діє сила Rк = Pfк (fк - площа поверхні кульки), що притискує його до сідла клапанної коробки 3, випускний клапан 4 залишається нерухомий. При русі поршня 9 вгору одночасно виступи 11 переміщаються по пазах 12, виконаним в хвостовику випускного клапана 4. Відбувається стиснення пружини 13.

Пройшовши відстань робочого ходу S, поршень 9 завдає удару по випускному клапану 4. За рахунок енергії удару і енергії стислої пружини 13 клапан 4 переміститься вгору. Завдяки штовхачеві 14 відкриється впускний кульковий клапан 2, перемістившись з центрального положення сідла убік. Рідина почне поступати як у верхню, так і в нижню порожнини циліндра 8. Бойок 5 продовжить рух вгору за інерцією до зіткнення з верхнім ковадлом 15. При цьому він пройде відстань (S1- S), його кінетична енергія повинна бути більше, ніж сила гідроторможіння на шляху (S1- S).

Після цього почнеться рух поршня вниз, що забезпечуватиметься силою Rн = P (fш - fшк) (fшк - площа штока випускного клапана 4). Ця сила є результуючою силою і зумовлюється наявністю диференціальної форми поршня при дії на нього тиску, як з верхньої, так і з нижньої сторін.

При русі поршня 9 вниз, клапан 4 зберігає верхнє положення за рахунок сили притиснення його до нижньої торцевої поверхні клапанної коробки 3. Після проходження відстані S виступи 11 завдають удару по хвостовику клапана 4, за рахунок чого обидва клапани 2 і 4 перемістяться вниз. Доступ рідини у верхню порожнину циліндра 8 припиниться. Рідина поступатиме тільки в нижню порожнину циліндра. Бойок 5 за рахунок накопиченої енергії продовжить рух вниз до зіткнення з нижнім ковадлом 6. Цикл роботи гідроударника повториться.

Рисунок 4 – Введення в роботу гі 

дроударника

(анімація: об'єм – 95,1 кб, розмір –  

50 

x 

284 

, містить 10 кадрів, затримка між кадрами – 50 мс, затримка між останнім та першим кадрами – 150 мс, кількість циклів повторення – нескінченно)

При роботі гідроударника спільно з труболовкою, настройками буде відрегульований цикл роботи з можливістю завдання ударів тільки по верхньому ковадлу.

У разі неможливості витягання аварійної колони труб, комплекс звільняють від прихопленої труби.

Для цього лівим обертанням відгвинчують гідроударник і піднімають на поверхню. У свердловину спускають колону труб, приєднують до труболовки. Далі через буровий сальник в бурильні труби скидають кульку, яка перекриває прохідний отвір полого штоку 19. Тиск рідини на кульку примушує стискатися пружину 22 і трубка 21 починає рухатися вниз відкриваючи отвори в штоку, через них рідина потрапляє в робочу порожнину циліндра 20, переміщаючи його вгору щодо нерухомого поршня 23 до контрольних отворів в нижній частині циліндра 20. Після чого рідина потрапляє в корпус 26 труболовки. Переміщуючись вгору, циліндр 20 захоплює з собою захватні плашки 27, які звільняються від прихопленої труби, конус ковзає вгору до стопорного кільця 29 за рахунок повернення манжети 31 в початкове положення. Після звільнення труболовку піднімають на поверхню.

Висновки

У роботі запропоновані принципові схеми пристроїв (гідроударника подвійної дії з однією контролюємою порожниною і зовнішньої труболовки, що звільняється) для ліквідації обривів, викликаних прихватами бурильної колони.

Проведені розрахунки раціональних параметрів гідроударника і труболовки для якнайкращого захоплення аварійної колони і скорочення часу на ліквідацію прихвату.

Перелік використаної літератури

1. Волков А. С. Буровой геологоразведочный инструмент / А.С. Волков. – М.: Недра, 1979

2. Ганджумян Р.А. Практические расчёты в разведочном бурении / Р.А. Ганджумян. – М.: Недра, 1977

3. Гончаров А.Е. Пособие бурильщику и мастеру по предупреждению и ликвидации аварий и осложнений при разведочном бурении / А.Е. Гончаров, В.М. Винниченко. – М.: Недра, 1987

4. Калиниченко О.И. Забойные буровые машины: учебное пособие / О.И. Калиниченко, П.В. Зыбинский. - Донецк: ДонНТУ, 2006. – 222 с.

5. Коломоец А. В. Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении / А.В. Коломоец. – М.: Недра, 1977

6. Пустовойтенко И.П. Аварии в бурении / И.П. Пустовойтенко. – М.: Недра, 1965

7. Авторское свидетельство СССР №927960, Кл. Е 21 В 31/18, 1980

8. Информация об инструменте для ликвидации аварий и осложнений, режим доступа к статье: http://www.drillings.ru/likvidacia

9. Информация о методах ликвидации прихватов, режим доступа к статье: http://www.dobi.oglib.ru/bgl/2726/25.html

10. Информация о теории и расчете рабочих процессов гидроударных машин, режим доступа к статье: http://www.dobi.oglib.ru/bgl/2117/246.html

RUS UKR ENG ДонНТУ Портал магістрів ДонНТУ