Єремеєвич Вікторія Олександрівна
Гірничо-геологічний факультет
Спеціальність: Технологія та техніка
розвідки родовищ корисних копалин
Тема выпускной работы:
Вдосконалення гідроударних бурових снарядів для буріння свердловин на шельфі
Науковий керівник: Каракозов Артур Аркадійович
Реферат з теми випускної роботи
Вступ
Актуальність роботи. На сьогоднішній
день, за оцінками фахівців, основний вуглеводневий резерв України (близько 40%
запасів нафти та газу) зосереджений в районах вітчизняного сектора шельфу
Чорного і акваторії Азовського морів і складає більше 1,5 млрд. тонн умовного
палива. Не дивлячись на високу перспективність і значимість вуглеводневих
ресурсів Азово-Чорноморського регіону, рівень їхнього освоєння до середини 90-х
років ХХ століття не перевищив 4% [1].
Тому
останніми роками значно збільшилися обсяги інженерно-геологічних і
геологорозвідувальних робіт на континентальному шельфі, пов'язаних з бурінням
свердловин завглибшки до 50 метрів і більше. Ці свердловини використовуються при
виконанні робіт, пов'язаних з постановкою морських бурових платформ і
будівництві споруд різного призначення. Застосування в цих умовах
спеціалізованих бурових суден через високі експлуатаційні витрати економічно
недоцільно, а при малих глибинах моря – не завжди можливо. В даних умовах
перспективним способом буріння є багаторейсове поінтервальне буріння з
використанням заглибних установок. Тому розробка технічних засобів для буріння
свердловин на шельфі на сьогоднішній день є актуальним напрямком роботи [2, 3].
Досвід використання установок УМБ-130 і
УМБ-130М показав ефективність технологій поінтервального буріння свердловин,
оскільки в цьому випадку відпадає необхідність як в застосуванні спеціальних
суден, так і дорогих технологіях буріння, що знижує вартість робіт. Але у
існуючої конструкції є недоліки, а саме при бурінні в твердих породах глинистого
комплексу різко знижується швидкість проходки свердловини.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Кваліфікаційна робота магістра виконана впродовж 2008-2009 р. згідно з науковим напрямом кафедри «Технологія і техніка геологорозвідувальних робіт» ДонНТУ.
Мета роботи - удосконалення конструкції заглибного бурового снаряда установок УМБ-130 і УМБ-130М, що забезпечує підвищення швидкості безкернового буріння в твердих породах, що дозволить істотно підвищити техніко-економічні показники бурових робіт.
Ідея роботи полягає в збільшенні швидкості проходки твердих порід при безкерновому бурінні за рахунок здійснення комбінованого способу руйнування порід, що включає одночасну дію на забій потоку рідини і періодичних ударних навантажень, що генеруються гідроударником.
Задачі роботи.
1. Розробити конструктивну схему бурового снаряда, що забезпечує роботу
гідроударника з одночасним розмивом порід на забої при бурінні без відбору
керна.
2. Обгрунтувати конструктивні параметри запропонованої схеми бурового
снаряда.
3. Обгрунтувати технологію безкернового буріння.
4. Розробити
принципову схему і конструкцію сигналізатора нахилу бурового снаряда, що
забезпечує надійну сигналізацію про постановку бурової установки УМБ-130 на дно
моря.
Об'єкт розробки – процеси при бурінні свердловин в донних відкладеннях на шельфі морів.
Предмет розробки – конструкція і параметри гідроударного бурового снаряда, що забезпечують комбінований спосіб проходки свердловини при безкерновому бурінні.
Наукова новизна.Проведено обгрунтування режимів безкернового буріння при комбінованому способі проходки: дії на забій ударних навантажень і гідророзмиві порід.
Практичне значення.
1. Розроблена
конструкція гідроударного снаряда, що забезпечує комбінований спосіб проходки
свердловини.
2. Розроблена конструкція сигналізатора нахилу бурового снаряда.
За попередніми оцінками, використання
вдосконаленого гідроударного бурового снаряда установки УМБ-130М з новим верхнім
розподільним вузлом дозволить збільшити швидкість проходки свердловини без
відбору керна в міцних глинистих грунтах в 2-5 разів (за рахунок одночасної
роботи гідроударника і гідророзмива порід на
забої).
Розроблений сигналізатор нахилу
бурового снаряда забезпечує однозначну сигналізацію положення бурової установки
УМБ-130 на дні моря. Це дозволяє знизити непродуктивні витрати часу [4].
Апробація роботи. Основні положення роботи були представлені на VΙΙΙ Всеукраїнської конференції «Буріння» в 2008 р., на Всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт в галузі «Нафтова і газова промисловість» в номінації «Буріння свердловин, видобуток, транспорт і збереження нафти і газу» в 2009 р. (диплом третього ступеня), ΙХ Всеукраїнської конференції «Буріння» в 2009 р.
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД
Установки типу УМБ-130 [5] призначені для буріння підводних свердловин глибиною до 20 м (УМБ-130) або до 50 м (УМБ-130М) з борта неспеціалізованих судів. До складу установки входить гідроударний буровий снаряд (типовий для УМБ-130), придонна підстава (опора) для стабілізації бурового снаряда, система канатів, зв'язуючих плавзасіб і опору через Г-подібні стійки, жорстко прикріплені до фальшборту судна. Принципова схема роботи установки УМБ-130М показана на рис.1.
Рисунок 1. - Принципова схема роботи установки
УМБ-130М
(flash-анімація, объем 28Kb)
Привід гідроударного механізму забезпечується
буровим насосом з подачею не менше 450 л/хв при тиску 3,5-4,5 МПа (НБ-32, 9МГр
та ін.).
Гідроударний буровий снаряд (ГБС) є
основним виконавчим елементом установки УМБ-130М і складається з гідроударника
(ГУ) і колонкового набору. Гідроударний буровий снаряд оснащений двома
додатковими пусковими вузлами (верхнім і нижнім), які дозволяють робити зміну
режимів роботи снаряда («безкернове буріння» ( гідромоніторний розмив породи) –
«буріння з відбором керна») [6].
В даний час
для установок типу УМБ розроблені гідроударні снаряди з трьома різновидами
верхнього пускового вузла.
Верхній пусковий вузол ВПВ-1
дозволяє багаторазово змінювати режим каналізації рідини через
гідроударний механізм протягом циклу проходки заданого інтервалу свердловини.
Принципова схема і прийняте конструктивне виконання ВПВ-1 виключають
необхідність постійних перезаряджень ВПВ, що передбачають розбирання й
повернення елементів ВПВ, що переміщаються, в початкове положення [7]. ВПВ
розміщається в циліндрі 16 (рис. 2, а), з'єднаному з верхнім перехідником 1, і
включає пусковий клапан 3 з пружиною 2 і поршень 4 з пружиною 5. 
Рисунок 2. - Схема гідроударного
бурового снаряда з автоматичним управлінням ВПВ
У режимі гідророзмиву пройденого раніше
інтервалу свердловини виконується запуск ВПВ. Збільшується витрата рідини в
нагнітальному трубопроводі. За рахунок цього зростає дія швидкісного натиску і
перепаду тиску на пусковий клапан 3, який переміщається вниз, стискаючи пружину
2, і перекриває осьовий отвір «а» в підпружиненому поршні-сідлі 4. У камері «г»
різко підвищується тиск, що забезпечує зсув поршня 4 вниз. При цьому
відкриваються бічні вікна «б», забезпечуючи прохід рідини в кільцевий зазор «е»
між кожухом і корпусом гидроударника, минаючи робочі камери гідродвигуна
машини.
Для забезпечення роботи гідроударника в
режимі «буріння з відбором керна», витрата рідини знижується до значення,
відповідного умові запуску і роботи гідроударника в номінальному режимі.
Одночасно зменьшується силовий вплив на пусковий клапан 3, який зусиллям пружини
2, повертається у верхнє положення (рис. 2, б). Тиск в камері «г» знижується.
Поршень 4 зусиллям пружини 5 переміщається вгору. При цьому поршень ВПВ
перекриває бічний канал «б». Робоча рідина через отвори в напрямній перегородці
18 і відкритий канал «а» отримує доступ в робочі камери гідродвигуна
гідроударника, забезпечуючи його запуск і
роботу.
Не незважаючи на універсальність ВПВ,
обумовлену можливістю багаторазово змінювати режим каналізації рідини через
гідроударний механізм протягом циклу проходки заданого інтервалу свердловини,
деякі утруднення виникали при його налаштуванні [8]. Для забезпечення надійності
спрацьовування ВПВ необхідний ретельний підбір сумарної площі каналів «в» з
дотриманням умови, щоб перепад тиску в камері «г» забезпечував достатнє зусилля
для утримання системи «клапан 3 – поршень-сідло 4» в нижньому положенні протягом
роботи гідроударного механізму при вільному виході рідини через НПВ і отвори «и»
в зовнішній трубі 12.
Враховуючи, що робочі
параметри гідроударника в процесі проходки свердловини або форсуються, або
зменшуються залежно від геологічного розрізу на інтервалі буріння, гарантований
перепад тиску в камері ВПВ можна було забезпечити за наявності достатньої
різниці витрат рідини для режиму гідророзмиву порід і робочого режиму роботи
гідроударника. Як показали експериментальні роботи, для прийнятого виконання ВПВ
ця різниця повинна була знаходитися в межах 220-250 л/хв [9].
Верхній пусковий вузол ВПВ-2 є
універсальним для ГБС, що використовуються з одинарним і подвійним колонковими
наборами. ВПВ-2 дозволяє отримати разову необоротну зміну напряму руху рідині
через канали і зазори ГБС при зміні способу руйнування породи
[10].
Для роботи ГБС в режимі відбору керна
(рис. 3, б), в нагнітальну лінію скидається кулька 5. Після посадки кульки в
сідло поршня 4 в нагнітальному трубопроводі підвищується тиск, сила якого
забезпечує зріз шплінтів 2. Поршень опускається вниз, перекриваючи канал «б».
Одночасно відкриваються вікна «в», через яких рідина прямує в циліндр
гідроударника. Під дією тиску рідини поршень починає виконувати
зворотно-поступальні рухи між ковадлами з передачею на них ударних навантажень,
сприяючих заглибленню ГБС в породу.
Рисунок 3. -Схема гідроударного бурового
снаряда з нерегульованим ВПВ
Повернення ВПВ у вихідне положення (рис. 3, а)
можливо лише після підйому установки для витягання кульки і перезарядження
вузла.
При експлуатації ГБС з розглянутим ВПВ
були виявлені недоліки, внаслідок чого була проведена його модернізація (рис. 4)
[11].
Рисунок 4. - Схема модернізованого
гідроударного бурового снаряда установки УМБ-130М: 1 – перевідник; 2 – гвинт; 3
– манжета; 4 – поршень ВПВ; 5 – кулька; 6 - зворотний клапан; 7 – розділова
муфта-сідло; 8 – нижнє ковадло; 9 – шток НПВ; 10 – циліндр НПВ; 11 –
поршень-золотник НПВ; 12 – пружина; 13 – втулка; 14 – керноприемная труба; 15 –
зовнішня колонкова труба; 16 – розподільна коробка; 17 – регулювальні кільця НПВ
У корпусі перевідника 1 виконані ділильні вікна
«л», завдяки яким, після переміщення системи «кулька 5 - поршень 4» вниз і
закриття каналу «в», частина рідини прямує в свердловину, а кількість рідини для
запуску і роботи гидроударника в номінальному режимі прямує через вікна «г» в
циліндр машини. Це дозволило мати постійний збільшений потік рідини в
свердловині ( 500 л/хв) вище гідроударника як в процесі гідророзмиву, так і при
пробовідборі.
Крім того, таке рішення дозволило
виконувати підйом ГБС при непрацюючому гідроударнику, при включеному буровому
насосі зі зменшеною подачею рідини (150-180 л/хв), проте, що зберігає висхідний
рух потоку по стовбуру свердловини. Для захисту гідроударника від проникнення в
нього шламу розділова муфта 7 гідродвигуна на лінії вихлопного каналу «д»
додатково була оснащена зворотним клапаном 6. Це рішення повністю виключило
попадання часток шламу в гідродвигун в процесі знаходження ГБС у
свердловині.
Основні результати
На підставі аналізу патентних і літературних
джерел була запропонована вдосконалена схема гідроударного снаряда, в якому
порожнина камери під поршнем верхнього розподільного вузла з'єднана з вхідним
каналом гідроударника, в каналі між верхнім і нижнім розподільним вузлом
установлена дросельна втулка, а нагнітальний канал між камерою і вхідним каналом
гідроударника перекритий зворотним
клапаном.
Схема роботи снаряда за новою
технологією приведена на рис. 5.
Рисунок 5. – Схема роботи
вдосконаленого гідроударного бурового снаряда установок УМБ-130 та УМБ-130М
Гідроударний буровий снаряд працює в такий
спосіб. Він спускається з борта судна й установлюється на дні у вертикальному
положенні. При цьому пусковий клапан 26 відсутній. Поршень 23 займає своє крайнє
верхнє положення в камері 22 розподільного перевідника 21, у якому він
зафіксований штифтами 27. Нагнітальний канал 29 перекритий бічною поверхнею
поршня 23. Блокувальний клапан 16 і кільцевий золотник 17 займають крайнє верхнє
положення під дією пружин. Відбір проби із глибини, що перевищує довжину
колонкового набору здійснюється в такій послідовності. Спочатку здійснюється
попереднє буріння без відбору проби. Від джерела тиску, що перебуває на борті
судна, у гідроударний буровий снаряд подається рідина, що через канал 28,
осьовий канал 24 у поршні 23, камеру 22, дро¬сельну втулку 36, канал 30,
кільцевий зазор між гідроударником 1 і кожухом 10, канали 11 й 14, зазор між
трубами 5 й 6 й отвору 9 виходить у навколишнє середовище. Підвищуючи подачу
рідини, домагаються того, що під дією швидкісного напору рідини й перепаду тиску
на блокувальному клапані 16, останній рухається вниз і перекриває прохід рідини
в канал 14. При цьому рідина надходить у простір над кільцевим золотником 17. За
рахунок підвищення тиску при закритті блокувального клапана 16 над кільцевим
золотником 17 останній рухається вниз. Цей рух здійснюється тому, що порожнина
під кільцевим золотником 17 постійно зв'язаний каналом 14 із зазором між трубами
5 й 6, з'єднаними з навколишнім середовищем або свердловиною, отже, тиск рідини
під кільцевим золотником 17 буде значно нижче, ніж над ним. Коли кільцевий
золотник 17 відкриє канали 15, то рідина через них надходить у порожнину
внутрішньої керноприймальної труби 5 і через кернорвач 8 - на вибій свердловини,
розмиваючи породи. Це забезпечує можливість поглиблення гідроударного бурового
снаряда в ґрунт без відбору проби. Одночасно частина рідини подається у вхідний
канал 2 гідроударники 1 через канал 35, при цьому зв'язок вхідного каналу 2
гідроударники 1 з навколишнім середовищем через нагнітальний і дросельний канали
29 й 31 і дросельну втулку 32 заблокований зворотним клапаном 33. Гідравлічний
опір дросельної втулки 36 підбирається таким чином, щоб обумовлений нею тиск
рідини в каналі 35 відповідав робочому тиску гідроударника 1. Гідроударник 1
починає працювати й генерує удари, за рахунок яких (при періодичних постановках
на вибій свердловини) башмак 7 заглиблюється в ґрунт, додаткового руйнуючи
породи на вибої свердловини. Рідина, що виходить із гідроударника 1 через
зворотний клапан 4 і канал 3, також надходить на вибій свердловини й розмиває
його. Таким чином, буріння без відбору керна проводиться за рахунок розмиву
порід вибою і їх додаткового механічного розпушування при періодичних
постановках снаряда на вибій свердловини, що підвищує механічну швидкість
буріння, особливо в міцних глинистих ґрунтах. Після того, як гідроударний
буровий снаряд досягне потрібної глибини відбору проби, подачу рідини від
джерела тиску припиняють. Оскільки тиск у системі падає, то кільцевий золотник
17 і блокувальний клапан 16 під дією пружин займають свої крайні верхні
положення, закриваючи канали 15 і перекриваючи, таким чином, доступ рідини в
порожнину керноприймальної труби 5. Далі, по лінії, що з'єднує джерело тиску з
гідроударним буровим снарядом (бурильні труби, нагнітальний шланг), скидається
пусковий клапан 26 і знову включається подача рідини з інтенсивністю як і при
бурінні без відбору керна. Після посадки пускового клапана 26 у сідло 25 поршня
23 тиск у системі росте настільки, що штифти 27 зрізаються. Поршень 23
переміщається в крайнє нижнє положення в камері 22, при цьому пробка 34
перекриває осьовий канал 24. Таким чином, нагнітальний канал 29, пов'язаний із
вхідним каналом 2 гідроударника, з'єднується із джерелом тиску, а канал 30,
пов'язаний із зазором між трубами 5 й 6 роз'єднується з останнім. Одночасно
камера 22 через дросельний канал 31 і дросельну втулку 32 з'єднується з
навколишнім середовищем. Гідравлічний опір дросельної втулки 32 також
підбирається таким чином, щоб обумовлений нею тиск рідини в нагнітальному каналі
29 відповідало робочому тиску гідроударника 1. Гідроударник 1 починає працювати
й генерує удари, за рахунок яких гідроударний буровий снаряд заглиблюється в
ґрунт башмаком 7, і проба надходить у внутрішню колонкову трубу, віджимаючи в
сторони пелюстки кернорвача 8. При роботі з гідроударника 1 витісняється рідина
по каналу 3 у зазор між кожухом 10 і гідроударником 1 й, далі, по каналах 11 й
14 - у зазор між трубами 5 й 6, і через отвори 9 вона надходить у свердловину
вище башмака 7, розмиваючи стінки свердловини, що знижує сили тертя по зовнішній
поверхні гідроударного бурового снаряда. Потоки рідини, які виходять із отворів
9 і дросельної втулки 32 складаються над гідроударним буровим снарядом й, таким
чином, забезпечується постійна швидкість плину рідини у свердловині над
гідроударним буровим снарядом при різних режимах його
роботи.
У процесі буріння в порожнині
керноприймальної труби 2 здійснюється зворотне промивання. При ході поршня 20
нагору разом з бойком гідроударника (не показаний) рідина надходить із
керноприймальної труби 5 через усмоктувальний насосний клапан 18 під поршень 20.
При русі поршня 20 униз рідина через нагнітальний насосний клапан 19 викидається
у свердловину.
За запропонованою вище схемою
проведена конструкторська розробка вдосконаленого гідроударного бурового снаряда
установки УМБ-130М.
Аналіз вихідної конструкції
гідроударного бурового снаряда установки УМБ-130М показав, що для його
вдосконалення досить змінити конструкцію верхнього розподільного
вузла.
Нова конструкція верхнього розподільного
вузла була змодельована в системі Kompas-3D V8. Розроблена тривимірна модель
верхнього розподільного вузла представлена на рис. 6. По цій моделі були
виконані робочі креслення вузла для двох типорозмірів гідроударних бурових
снарядів, проведені перевірочні розрахунки, розроблена технологія застосування
бурового снаряда.
Рисунок 6 – Тривимірна модель
вдосконаленої конструкції верхнього розподільного вузла гідроударного бурового
снаряда установки УМБ-130М
В даний момент магістерська робота знаходиться у стадії розробки, після грудня 2009г повний текст роботи можна отримати у автора або наукового керівника.
Література
1. Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Каракозов
А.А. Гидроударные буровые сна¬ряды и установки для бурения скважин на шельфе. –
Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 270
с.:ил.
2. Тези доповідей науково-технічної
конференції „Нафта і газ арктичного шельфу - 2002”. – Мурманськ, 13-15 листопада
2002. – http://arcticshelf.ru/info/2002/russian/section3/3-14-15-45.pdf14
3. JEODI
- Joint European Ocean Drilling Initiative http://www.ecord.org/about/j/jeodi1.html
4. Патент
на КМ № 31074 Україна, МПК Е21В25/00. Підводний пробовідбірник/ Каракозов А.А.,
Попова М.С., Парфенюк С.М., Єремеєвич В.О.; ДонНТУ. – Опубл. 25.03.2008, бюл.
№6. – 4с.
5. Калиниченко О.И., Каракозов А.А.,
Зыбинский П.В. Погружная гидроударная установка УМБ-130 для многорейсового
бурения подводных скважин.// Сб. научн. Трудов.- К.: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН
НАНЦ. Киев,2003. С.-63-68.
6. Калиниченко О.И.,
Каракозов А.А., Зыбинский П.В., Паршков А.В. Технические средства бурения
подводных геологоразведочных скважин глубиной до 50 м. // Сб. научн. Трудов.-
Киев: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНЦ. Киев,2004. Вып.7.
С.-14-15.
7. Калиниченко О.И., Каракозов А.А.,
Зыбинский П.В. Разработка погружных гидроударных снарядов для бурения подводных
разведочных скважин со специализированных плавсредств. //Сб. науч. трудов. –
Вып.8. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. –
С.92-95.
8. Деклараційний патент на КМ № 13609
Україна, МКВ Е21В25/18. Гідроударний буровий снаряд / Калініченко О.І.,
Каракозов А.А., Зибінський П.В.; ДонНТУ. – Опубл. 17.04.2006, бюл.№4. –
6с.
9. Патент № 76868 Украина, МКИ Е21В25/00,
Е21В4/00. Гидроударный буровой снаряд / Калініченко О.І., Каракозов А.А.,
Зибінський П.В.; ДонНТУ. – Опубл. 15.09.2006, бюл.№9. –
6с.
10. Калиниченко О.И., Каракозов А.А.,
Зыбинский П.В. Новые технические средства и технология поинтервального бурения
инженерно-геологических скважин на шельфе. //Труды ДонГТУ. Серия
Горно-геологическая. – Донецк. – 2001. – Вып.36. – С.
144-148.
11. Калініченко О.І., Каракозов А.А.,
Зибінський П.В., Паршков О.В. Вдосконалення технології буріння підводних
свердловин установкою УМБ-130. // Науковий вісник. №5, Національний гірничий
університет. Дніпропетровськ, 2004. С.68-71.
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Про автора