В теперішній час велика увага приділяється часу, який витрачається на буріння та допоміжні операції. Приділяється увага зменшенню вартості робіт, а також простоті роботи з обладнанням. Тому для більш ефективного буріння м'яких порід розроблено пристрій, призначений для ефективного гідроразмива порід з одночасною обсадкой свердловини.
Мета роботи
Метою роботи є розробка пристрою, що перевершує по корисних якостях аналогічні пристрої іншої конструкції. Пристрій дозволяє заощаджувати на дорогих породоруйнуючих інструментах, так як дозволяє пройти свердловину без їх використання. Замість цього використовується гідромоніторний вузол, який складається з башмака і насадки усередині нього. В якості промивальної рідини використовується вода, так як в глинистим розчині немає необхідності. За рахунок можливості нарощування наступних секцій обсадних труб без припинення гідроразмива, час буріння значно зменшується. Також зменшується ймовірність прихватів снаряда. Після закінчення роботи простір всередині обсадних труб зберігається повністю вільним, що дозволяє надалі використовувати цю свердловину.
Опис механізму
В основу пристрою поставлена задача буріння і обсадження свердловини колонами обсадних труб, які опускають з поверхні для закріплення стінок свердловини, з безперервною подачею промивальної рідини і збереженням вільним повного внутрішнього перерізу труб по закінченні буріння. [1]
Ця задача вирішується за рахунок того, що в пристрої для буріння свердловин з обсадкою, яке включає пристосування для перекриття перерізу труби, зворотний клапан і систему нагнічувальних шлангів, пристосування для перекриття перерізу труби виконано у вигляді суцільного поршня, закріпленого у муфти обсадних труб фіксаторами, а зворотний клапан розташований в трубі нижче муфти.
Заявлені ознаки складають суть розробленого пристрою, тому що є необхідними та достатніми для забезпечення технічного результату - буріння і обсадження свердловини колонами обсадних труб, які опускають з поверхні для закріплення стінок свердловини, з безперервною подачею промивальної рідини і збереженням вільним повного внутрішнього перерізу труб після закінчення буріння.
Експериментальні дослідження й наявний досвід гідравлічного буріння доводять, що руйнування породи в м'яких і середніх по твердості породах практично завжди відбувається при значно менших значеннях тиску струменя на забій, ніж міцностні характеристики породи [2]. Специфічність цього явища полягає в тому, що руйнування викликано не стільки стиском породи, скільки інтенсивним порушенням цілісності масиву шляхом роз'єднання породи на частинки і "виривання" окремих агрегатів грунтової маси. Необхідно відзначити, що аналогічним чином у теорії руслових деформацій описується механізм розмиву стінок каналів, складених слабосвязнимі грунтами [3]. Очевидно, що і при гідравлічному бурінні в якості основного параметру, що визначає якісну оцінку впливу рідини на забій, доцільніше всього використовувати значення швидкості потоку, при якій забезпечується надійний розмив породи. У гідротехнічному будівництві використовуються значення граничної нерозмивчої швидкості потоку [uнер], яка нормується в залежності від типу грунту [4]. За нормативними даними, значення нерозмивчої швидкості для найбільш важких за ступенем труднощі гідравлічного розмиву грунтів, до яких відносяться щільні глини та велика галька з домішкою гравію, складає [uнер]=2,7 м / с.
Виходячи з результатів численних експериментів [1, 6], встановлено, що при розмиву вибою свердловини найбільш ефективним є потік з кількома струменями, що здійснюють комплексний вплив на розмив забою. В межах зони потенційного ядра швидкість практично дорівнює початкової швидкості течії u0. Після початкового ділянки потенційне ядро переходить в лінію максимальних швидкостей, значення швидкості um на якій знижується в напрямку течії [5].
Відзначається [8, 9, 10], що рішенням точними методами піддаються лише порівняно невелике число завдань, пов'язаних з різного роду струминним течіями в основному ламінарного характеру. Крім цього, внаслідок складності пульсаційного руху суто теоретичний розрахунок турбулентного перебігу практично неможливий і закономірності руху рідини доводиться шукати лише для середніх по часу величин. Такий шлях у поєднанні з введенням деяких вельми ймовірних полуемпіричних припущень дає можливість обчислити характеристики турбулентного течії в доброму відповідності із досвідом.
Суть пристрою пояснюється кресленнями, де на рис. 1 показаний загальний вигляд пристрою в розрізі в процесі буріння за допомогою гідроразмива породи, а на рис. 2 - в процесі нарощування черговий секції обсадних труб.
До складу пристрою входять обсадна труба 1 з муфтою 2, всередині якої розміщено пристосування для перекриття перерізу труби, виконане у вигляді суцільного поршня 3 з еластичною манжетою 4. Поршень 3 закріплений у муфті 2 фіксаторами 5, що входять в кільцеву проточку 6. Різниця верхнього та нижнього діаметра поршня створює уступ 7. На трубі 1 нижче муфти 2 розташований зворотний клапан 8, до якого приєднано нагнітальні шланг 9. Нагнічувальна система складається з двох шлангів 9 та 10 і крана 11 [11], за допомогою якого можна подавати промивальну рідину в будь-який шланг. На нижньому кінці обсадної колони розташован башмак 12 і гідромоніторний вузол 13.
Для нарощування обсадної колони використовують труби або секції труб 14 аналогічні трубі 1.
Рис 1. Загальний вигляд пристрою
Рис 2. Процес нарощування
У даному варіанті конструкції використовуються обсадні труби діаметром 127 мм і відповідні їм муфти діаметром 146 мм. На відстані 110 мм від кінця труби робиться отвір діаметром 39 мм для зворотного клапана.
На кільцевої проточці муфти робляться два отвори для фіксаторів. На поверхні отворів нарізається різьба, так як в якості фіксаторів використовуються стандартні болти М8 довжиною 40 мм. Для того, щоб викручувати фіксатори на необхідну довжину, на них фарбою можна наносити позначки.
Поршень складається з двох частин. Корпус має дві проточки для ущільнювальних манжет. Також в ньому є отвір з різьбою для приєднання кришки поршня. На кришці є уступ і проточки для утримання поршня фіксаторами. Загальний вигляд поршня показано на рис. 3.
Рис 3. Поршень
Зворотний клапан тарельчатого типу. На клапані є зовнішня різьба для закріплення нагнічувального шланга. Також на корпусі клапана є проточка для встановлення ущільнювальних манжет квадратного перерізу. Загальний вигляд клапана наведено на рис. 4.
Рис 4. Зворотний клапан
Конструкція штуцера шланга і спосіб з'єднання шлангу з клапаном наведено на рис. 5.
Рис 5. З'єднання штуцера з клапаном
Гідромоніторний вузол являє собою башмак, в який вставлена гідромоніторная насадка.
Загальний вигляд башмаку показано на рис. 6.
Гідромоніторна насадка являє собою алюмінієвий диск товщиною 22 мм, в якому зроблено 21 отвір для створення гідромоніторной струменя. Крайні 12 отворів розташовані під кутом 76° до поверхні диска. Загальний вигляд насадки показано на рис. 7.
Рис 6. Башмак
Рис 7. Гідромоніторна насадка
Принцип дії
Пристрій для буріння свердловин з обсадкой працює наступним чином.
Обсадна труба 1 підвішена на усті свердловини. Поршень 3 закріплен у муфти 2 фіксаторами 5, що входять в кільцеву проточку 6. Приєднують шланг 9 до зворотного клапану 8 і за допомогою насоса через кран 11 направляють промивальну рідину в шланг 9. Промивальна рідина проходить через зворотній клапан 8 всередину труби 1. Еластична манжета 4 і поршень 3 не дозволяють рідині виходити через верх труби 1. Рідина проходить через гідромоніторний вузол 13, розмиває породу під башмаком 12 і навколо нього і виходить по затрубному простору до устя свердловини. Труба 1 занурюється під дією власної ваги. Для нарощування черговий секції труби 14 трубу 1 утримують на усті за допомогою хомута і з'єднують з муфтою 2 труби 1 трубу 14 і звільняють фіксатори 5, вивінчівая їх на величину, що забезпечує вільний прохід поршня 3. Поршень 3 переміщується вгору, причому еластична манжета 4 забезпечує ущільнення при проході через муфту 2 труби 1 і через трубу 14. В кінці руху поршень 3 своїм уступом 7 впирається в виступаючі всередину фіксатори 5 і зупиняється. Остаточно закріплюють поршень 3 завінчівая фіксатори 5, що входять в кільцеву проточку 6 поршня 3. Далі приєднують шланг 10 до зворотного клапану 8 труби 14 і за допомогою крана 11 переводять подачу рідини на шланг 10. Шланг 9 від'єднують. Зворотний клапан 8 нижньої труби 1 не дозволяє рідини виходити через нього. Звільняють хомут, який утримує на усті трубу 1 і обсадна колона занурюється по мірі розмиву породи. Процес повторюється.
Після закінчення буріння і обсадкі свердловини на задану глибину припиняють подачу рідини, звільняють верхні фіксатори 5 і витягують поршень 3 з верхньої труби 14, а гідромоніторний вузол 13 знищують або витягають. Внутрішнє сечение обсадних колони залишається повністю вільним.
Пристрій дозволяє використовувати стандартні з'єднувальні муфти.
Анімація принципу дії пристрою (9 кадрів, швидкість - 60 мс, програма - GIF Animator, 174 Кб)
Переваги розробленого механізму
Перевагами розробленого механізму є:
- Можливість нарощування наступних секцій обсадних труб без припинення подачі рідини, що досягається за рахунок використання триходового крана і зворотних клапанів в стінках обсадних труб;
- Можливість збереження вільним повного внутрішнього перерізу бурильних труб після закінчення робіт, так як перекривючий простір під час роботи снаряди поршень легко витягується на поверхню після закінчення робіт;
- Зменшення ймовірності прихватів снаряду, за рахунок постійної подачі рідини;
- Можливість використання стандартних бурильних труб та з'єднувальних муфт.
Литература
1. Оноприенко М.Г. «Бурение и оборудование гидрогеологических скважин» М.: Недра, 1978, 168 с.
2. Гаврилко В.М., Дугинец Н.Д. Гидравлическое бурение скважин больших диаметров. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1957. – 63 с.
3. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 303 с.
4. Руководство по определению допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для различных грунтов при расчете каналов: ВТР–II–25–80/ Сост. А.В.Магомедова. – М.: Минводхоз СССР, 1981. –58 с.
5. Абрамович Г. Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С. Ю. Теория турбулентных струй. – М.: Наука, 1984. – 716 с.
6. Юшков И.А. Определение скорости потока в зоне смешения нескольких гидромониторных струй при бурении подводных скважин //Збірник наукових праць ДонДТУ. Сер. гірн.-геол. – Донецьк: ДонДТУ, 2001.- Вип. 23.- С. 80 – 84.
7. Патент 26210 Україна UA МПК(2006) Е21В 7/20. Пристрій для буріння свердловин з обсадкою / Юшков О.С., Юшков І.О., Якименко Д.С. - Опубл. 10.09.2007. - Бюл. № 14.
8. Бай Ши-И. Теория струй. – М.: Физматгиз, 1960. – 326 с.
9. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. – М.: Наука, 1965. – 432 с.
10. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика: В 2-х т. Т.2. – М. – Л.: ОНТИ, 1935. – 283 с.
