Мета роботи – вдосконалення методики розрахунку ударного механізму для ліквідації прихватів у свердловинах з низьким гідростатичним рівнем рідини, встановлення закономірностей їх роботи, розробка практичної конструкції цього механізму і технології його застосування.
Об'єкт досліджень – технічні засоби для ліквідації прихватів бурового снаряда.
Предмет досліджень – робочі процеси в ударних механізмах для ліквідації прихватів бурового снаряда.
Завдання дослідження:
Прихвати бурового снаряда відносяться до числа найбільш складних аварій у геологорозвідувальному бурінні. Як показує практика, їх ліквідація є дуже трудомістким процесом. Для боротьби з прихватами застосовують ударні механізми, які дуже часто дають позитивні результати при ліквідації цього виду аварій. У Донбасі буріння в основному ведеться по полях вугільних шахт, де є величезна кількість зон поглинань, які обумовлені впливом гірничих робіт. Внаслідок цього можливість виникнення прихватов в результаті виходу промивної рідини збільшується в багато разів. Застосування ясів в цих умовах може тільки ускладнити ситуацію, так як бурильна колона, яка коливається, може руйнувати стінки свердловини в її порожній частини. Існують ударні механізми, що реалізують гідростатичний тиск стовпа рідини в свердловині, при цьому колона бурильних труб не сприймає динамічні навантаження, тобто не бере участі в коливальному процесі. Однак їх не можна використовувати для нанесення ударів по прихваченому снаряду в свердловинах, що перетинають зони катастрофічних поглинань, наприклад, зони впливу гірничих виробок з низьким рівнем рідини над забоєм, оскільки енергія ударів бойка пристрою залежить від гідростатичного тиску в свердловині.
Таким чином, для практики геологорозвідувального буріння в умовах Донбасу вельми актуальною є розробка ударного механізму для ліквідації прихватів бурового снаряда, що реалізує гідростатичний тиск стовпа рідини в бурильних трубах. Це дозволить застосовувати його для ліквідації прихватів у сухих свердловинах та у свердловинах з низьким статичним рівнем рідини, які обумовлені катастрофічним поглинанням. Але запропоновані конструктивні схеми подібних механізмів мають ряд недоліків, які знижують їх енергетичні характеристики. Крім того, для надійного визначення робочих параметрів ударного механізму необхідно удосконалити методику інженерного розрахунку. У зв'язку з цим робота щодо вдосконалення методики розрахунку і конструкції ударних пристроїв для ліквідації прихватів бурового снаряда у свердловинах з низьким рівнем промивної рідини є актуальною.
– Удосконалена методика розрахунку ударного механізму для ліквідації прихватів у свердловинах з низьким рівнем гідростатичним рідини.
Нові результати:
– Конструкція ударного механізму реалізує гідростатичний тиск стовпа рідини в бурильних трубах (на рівні винаходу) та технологія його застосування. Значення роботи полягає у розробці методики розрахунку ударного механізму, його конструкції та обгрунтування конструктивних параметрів і технології застосування.
Була подана робота на вузівський конкурс студентських науково-дослідних робіт (диплом Переможця). Результати роботи доповідалися на Всеукраїнському конкурсі студентських робіт по галузі «Нафтова і газова промисловість» (м. Івано-Франківськ, НУНГ). Брала участь у Х республіканської науково-технічної конференції студентів «Буріння» (ДонНТУ 2010). Подано заявку на корисну модель А 2009 13164 від 17.12.2009 (отримано позитивне рішення) та заявка на винахід U 2009 13557 від 25.12.2009.
Для розвідувального буріння подібні пристрої розробляються на кафедрі Технологія і техніка геологорозвідувальних робіт у ДонНТУ. Данне дослідження є продовженням дослідження магістрантки Малік Тетяни Олександрівни (керівник Каракозов А. А.).
http://www.masters.donntu.ru/2005/ggeo/malik/index.htm
Раніше було розроблено низку ударних механізмів, що реалізують тиск промивальної рідини в свердловині (див. рис.1).
Проте ці механізми не можна використовувати для нанесення ударів по прихваченому снаряду у свердловинах з низьким рівнем рідини над вибоєм або в порожніх свердловинах. Оскільки енергія ударів поршня-бойка в цих пристроях по прихваченому снаряду залежить від гідростатичного тиску в свердловині, а саме така ситуація виникає в свердловинах, що перетинають зони катастрофічних поглинань, наприклад, зони старих гірських виробок.
Тому для роботи в сухих свердловинах і у свердловинах з низьким рівнем рідини була запропонована схема ударного механізму, що реалізує тиск промивні рідини в бурильних трубах (див. рис.2).
Проте ця схема має недолік, який полягає в тому, що при роботі пристрою промивна рідина перетікає з бурильних труб під поршень-бойок по патрубку, який встановлений в осьовому каналі штока.
За інших рівних умов (поперечних розмірах корпусу, бойка, штока і т.д.) це обумовлює підвищені гідравлічні опори впливу рідини за рахунок зменшення перетину її потоку в патрубку і, як наслідок – зменшення енергії ударів по прихваченому снаряду. На основі цього механізму була розроблена нова конструктивна схема ударного механізму за якою подана заявка на винахід.
Для пристроїв, що реалізують гідростатичний тиск у бурильних трубах відсутня достатного теоретичного і конструкторського пороблення є основною перешкодою їх впровадження у практику буріння геологорозвідувальних свердловин малого діаметру. З метою визначення раціональної області застосування і найбільш повної реалізації енергетичних можливостей пристроїв на стадії проектування, необхідне створення основ методики розрахунку параметрів ударних механізмів, що працюють за рахунок енергії стовпа рідини в бурильних трубах. Для цього пристрою була розроблена математична модель його роботи.
В її основу були взяті моделі, які були раніше розроблені на кафедрі ТТГР для пристроїв, що реалізують гідростатичний тиск рідини в свердловині, розроблена схема. За даною розрахунковою схемою складене диференціальні рівняння, в результаті інтегрування яких були отримані співвідношення для визначення швидкості бойка пристрою. Для знаходження швидкості перетікання рідини з бурильних труб вирішувалося також рівняння Бернуллі для невстановленого руху рідини.
Для інтегрування рівняння необхідно розглянути випадки з різними типами промивної рідини, тому робляться розрахунки для ньютонівської і не ньютонівської рідини при ламінарному і турбулентному режимах. Використовуючи залежності, за допомогою пакету Mathcad був визначений характер зміни швидкості бойка протягом робочого циклу для різних умов експлуатації механізму.
Аналіз залежності швидкості бойка від величини робочого ходу дозволяє зробити висновок про досить високі енергетичні параметри механізму. Хід бойка пристрою повинен регулюватися залежно від рівня рідини в бурильних трубах (h). Доцільно вибирати його значення, відповідне часу 2h /c , у разі, якщо відсутні обмеження по загальній довжині пристрої та за міцністю його складових частин. На підставі теоретичного аналізу робочого циклу УМЛП запропоновані рекомендації залежності величини ходу бойка механізму від рівня промивної рідини в свердловині.
Запропоновано конструкцію пристрою (див. рис.3).
Пристрій працює таким чином (див. рис.4, рис.5). При використанні після виникнення прихвату в свердловині, він спускається до прихваченого об'єкта на бурильних трубах, з’єднаних зі штоком різьбою. При з'єднанні пристрою з прихваченим буровим снарядом нижнім перехідником з різьбою, до якої може додатково кріпитися ловильний інструмент, обертання від бурильних труб передається на нього через шток, шліцьове з’єднання, верхній перехідник і корпус . Потім по бурильних трубах скидається зворотний клапан, який сідає у сідло і перекриває осьовий канал у нижньому перехіднику. Далі бурильні труби за допомогою насоса заповнюють промивальною рідиною таким чином, щоб рівень рідини в них був значно вищій, ніж у свердловині. При цьому зворотний клапан не дає рідині витікати з порожнини бурильних труб. Поршень-бойок залишається на уступі під дією власної ваги і тиску промивальної рідини у свердловині, який діє над поршнем-бойком у порожнині корпуса, зв’язаній зі свердловиною отворами.
Для нанесення удару дають натяг бурильним трубам і піднімають шток у крайнє верхнє положення. При цьому радіальні отвори у штоку піднімаються вище перегородки і з’єднуються з порожниною під поршнем-бойком, і в неї починає перетікати рідина з порожнини бурильних труб. Оскільки тиск під поршнем-бойком більший, ніж над ним, так як рівень рідини в бурильних трубах значно більший, ніж в свердловині, то поршень-бойок рухається вгору і наносить удар по ковадлу. При цьому рідина з порожнини над поршнем-бойком витискається у свердловину через отвори.
Для нанесення повторного удару бурильні труби подаються вниз. Шток обмежувачем давить на поршень-бойок і переміщує його вниз до уступа. При цьому рідина з-під поршня-бойка витискається в порожнину бурильних труб через отвори. Коли вони зрівняються з перегородкою, рідина з-під поршня-бойка буде витискатися у порожнину бурильних труб через клапан.
Удари, які передаються на прихвачений снаряд під час роботи пристрою, призводять до звільнення снаряду від прихвату.
Пристрій також може включатися до складу бурового снаряда. При цьому в процесі буріння свердловини обертальний момент на вибій передається шліцьовим з’єднанням, зусилля осьового навантаження – обмежувачем на поршень-бойок і уступ корпуса. У випадку виникнення прихвату зворотний клапан скидають по бурильних трубах і він сідає у сідло. Подальша робота пристрою аналогічна.
1. У роботі запропонована уточнена методика розрахунку робочих параметрів пристрою для ліквідації прихватів в свердловинах з низьким рівнем динамічним рідини над вибоєм.
2. Аналіз запропонованої математичної моделі дозволяє визначити взаємозв'язок робочих і конструктивних параметрів пристрою і отримати залежність його енергетичних характеристик від конкретних умов експлуатації.
3. Розроблено технологію використання пристрою для ліквідації прихватів у свердловинах з низьким рівнем динамічним рідини над забоєм і запропоновані рекомендації щодо вибору раціонального робочого ходу бойка для конкретних умов роботи.
В даний момент магістерська робота знаходиться на стадії розробки. Після грудня 2010 повний текст роботи можна отримати у автора або наукового керівника.