Рис. 2 - Гидроударник для ликвидации прихватов в разведочном бурении
Цель работы – усовершенствование методики расчёта гидроударника для бурения скважин, уточнение закономерностей его работы, разработка практической конструкции и технологии его применения.
Объект и предмет исследования
Объект исследования – гидроударные механизмы для бурения технических и дегазационных скважин. Предмет исследования – рабочие процессы в гидроударных механизмах для бурения технических и дегазационных скважин.
Задачи исследования:
Актуальность темы:
Бурение технических и дегазационных скважин в Донбассе в большинстве случаев проводится установками геологоразведочного бурения или установками для бурения скважин на воду. Особенности конструкции и мощность привода этих установок не позволяет обеспечить рациональную нагрузку долота при бурении скважин большого диаметра, что позволяет уменьшить эффективностьпроцесса бурения и его технико-экономические показатели. Кроме этого значительные затраты на породоразрушающий инструмент при бурении шарошечными долотами (особенно в твёрдых породах) также негативно влияют на стоимость буровых работ.
Таким образом, для практики бурения технических и дегазационных скважин в условиях Донбасса весьма актуальной является разработка гидроударного механизма, который можно было бы применить как для интенсификации бурения шарошечными дорлотами, так и для ударно-вращательного бурения долотами с резцами. Это позволит в первом случае повысить технико-экономические показатели бурения, а во втором – снизить затраты за счёт применения более дешевого инструмента. В связи с этим работа по усовершенствованию гидроударника для бурения скважин является актуальной.
Научная значимость работы заключается в её связи с реализацией Общегосударственной программы развития минерально-сырьевой базы Украины.
Практическая ценность результатов работы состоит в применении данного гидроударного механизма для интенсификации шарошечного бурения или его полная замена на ударно-вращательное бурение.
Предполагаемая научная новизна результатов работы состоит в применении данного гидроударного механизма для интенсификации шарошечного бурения или его полная замена на ударно-вращательное бурение.
Планируемые практические результаты:
1. Усовершенствованная методика расчёта гидроударного механизма для бурения технических и дегазационных скважин.
2. Конструкция усовершенствованного ударного механизма (на уровне изобретения) и технология его применения.
Значение работы состоит в разработке методики расчёта гидроударного механизма, его конструкции и обосновании конструктивных параметров и технологии применения.Обзор исследований и разработок по теме
Глобальный (мировой) обзор разработок по предложенной теме показал, что ногие страны занимаются разработкой и эксплуатацией гидроударников. Например, нельзя не вспомнит такие страны как Швеция (Wassara), Германия (Wirth), Англия и т. д., которые выпускают гидроударники, и уже заслужили определённое место на рынке данной продукции. А это значит, что их продукция широко известна и используется во всём мире и у нас в том числе.
По национальному обзору будут рассмотрены некоторые аналоги гидроударных машин
Гидроударная машина Г-7 состоит из пяти основных узлов: понизителя расхода промывочной жидкости, клапана, цилиндра, поршня-ударника, шлицевого разъёма.
Гидроударная машина Г-9 состоит из четырёх основных узлов: клапана, цилиндра, поршня, шлицевого разъёма.
Принцип работы
В
конце рабочего хода клапан останавливается ограничителем; между
клапаном и
поршнем возникает щель, и жидкость свободно проходит через машину на
забой. В
этот момент давление падает, однако ударник в результате приобретенной
кинетической энергии продолжает движение вниз и наносит удар по
наковальне.
Клапан и ударник под действием сжатых при рабочем ходе пружин
возвращается в
исходное положение. При встрече поршня с клапаном в верхнем положении
вновь
перекрывается проход промывочной жидкости, возникает гидравлический
удар, и
цикл повторяется. [1, c.393-396]
Гидроударная
машина Г-7 может, оснащается понизителем расхода промывочной
жидкости, который
представляет собой автоматическую задвижку перед машиной, закрывающую
почти
полностью проходное отверстие во время свободного и обратного ходов
ударника и
открывающую отверстие в период рабочего хода. При возбуждении
гидравлического
удара, под действием которого система клапан – ударник
начинает перемещаться
вниз, одновременно движущаяся вверх волна гидравлического удара
действует на
торцевую поверхность подпружиненного клапана понизителя и перемещает
его в
верхнее положение.
При этом открывается центральный клапан и обеспечивается свободный проход жидкости в гидроударник на весь период рабочего хода. После отрыва поршня от клапана и паления давления в рабочей камере клапан понизителя силой сжатой пружины возвращается в нижнее положение, вновь перекрывая канал для прохода жидкости. Применение понизителя приводит к двукратному снижению расхода промывочной жидкости и накоплению энергии в трубопроводе при пассивном полуцикле. Перепад давления при этом повышается в 2,5 раза.
Унифицированные гидроударные машины Г-76 и Г-59 предназначены для бурения разведочных скважин в породах IV-XII категорий по буримости. Машины могут работать в двух режимах: ударном (шифр с буквой У) и высокочастотном (шифр с буквой В) и заменяют гидроударники Г-7, ГВ-5 и Г-9, ГВ-6.
Гидроударники Г-59 или Г-76 представляют собой машины прямого действия, автоматическое распределение жидкости в которых осуществляется плоским металлическим подпружиненным клапаном, размещенным в верхней части машины над поршнем с центральным каналом. Гидроударник соединяется бурильной колонной переходником 1 с твердосплавными вставками 2 и включает размещенный в патрубке 3 клапан 4, установленный с возможностью осевого перемещения на пружине 5, взаимодействующей через ограничитель 6 и регулировочное кольцо 8 с цилиндром 11, в котором установлена манжета 9. Поршень 10 совместно с утяжелителем 12 и насадкой 15 образуют ударник, размещенный на пружине 14. Верхний торец ударника во время рабочего хода взаимодействует с клапаном 4, а нижний в момент удара – с колонковым разъемом (наковальней).
Наковальня состоит из подвижного в осевом направлении шлицевого штока 18, размещенного в шлицевом стакане 19 и снабженного насадкой 15 и нижним переходником 20. Цилиндр соединен с колонковым разъемом корпусом 13 с коническими резьбами. Кольца 8 для регулировки свободного хода установлены между ограничителем и цилиндром, а шайбы 7 для регулировки хода клапана размещены в ограничителе 6. На нижнюю насадку установлены шайбы 16 для регулировки натяга пружины ударника. Для устранения утечек через шлицевой разъем под шайбу 16 установлено резиновое кольцо 17 (для машины Г-76В). В подвешенном состоянии шток 18, а, следовательно, и ударник под действием массы колонкового набора и собственной массы занимают крайнее нижнее положение.
Промывочная жидкость через каналы во втулке клапана, поршне, ударнике и наковальне свободно пропускает в колонковый набор и далее на забой. Гидроударник включен. При постановке машины на забой шлицевой шток колонкового разъема перемещается вверх, ударник пружиной поднимается в верхнее положение до встречи с клапаном. Под действием гидравлического удара, возникающего при перекрытии потока, ударник вместе с клапаном с нарастающей скоростью перемещается вниз, сжимая пружины 5 и 14. Ход клапана ограничивается упором его в ограничитель 6, после чего открывается путь для прохода жидкости между клапаном и торцом поршня на забой скважины. При этом ударник по инерции продолжает движение и наносит удар по наковальне, связанной с колонковой трубой, затем под действием пружин клапани ударник возвращаются в исходное положение, и цикл повторяется. [1, c. 399-403]
В зависимости от регулировки хода клапана, натяга пружины и расхода жидкости меняются энергия и частота колебаний ударника, в результате чего устанавливается соответствующий режим работы.
В унифицированных гидроударниках усовершенствована гидродинамическая система с целью поддержания частоты колебаний ударника на высоком уровне независимо от глубины скважины и вязкости раствора; уменьшена площадь поршня в зонах контакта с клапаном и размещения пружины, что позволило упростить конструкцию, снизить потери энергии единичного удара и повысить показатели надежности; вступающие над поверхность корпуса центраторы, армированные твердым сплавом, и прочные конические резьбы корпуса улучшили показатели надежности; обеспечена надежность одной машины в различных режимах в зависимости от условий бурения.
Показатели бурения унифицированными гидроударниками превышают аналогичные показатели машин типа Г и ГВ на 10 ; 30%.
По локальному обзору рассмотрим следующий гидроударный механизм
Наиболее близким аналогом к рассматриваемой модели гидроударника, является гидроударник (Коломоец А. В. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. – М.: Недра, 1985. – 220с. – стр. 143 – 144, рис. 30), который входит в состав снаряда для бурения и очистки скважины и содержит кожух, распределительный переходник с впускным и выпускным отверстиями, корпус с верхней и нижней наковальней, клапанную коробку с впускным отверстием, соединенную с цилиндром, в котором размещен поршень, связанный с бойком, выпускной клапан, установленный в осевой проточке поршня и соединенный с впускным клапаном толкателем, выхлопные каналы, связанный с выпускным отверстием кольцевым зазором между кожухом и корпусом, и насосный блок.
Устройство работает таким образом. Гидроударник в составе бурового снаряда спускается в скважину и к нему подается жидкость. Под действием давления жидкости поршень совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары бойком по наковальням. Распределение жидкости в гидроударнике совершается впускным и выпускным клапанами. Ударные импульсы, которые генерирует гидроударник, используются для выполнения работы по разрушению горной породы. Хвостовик бойка приводит в действие насосный блок, который во время хода поршня вверх всасывает жидкость с забоя, а во время хода поршня вниз выбрасывает жидкость в скважину, что обеспечивает обратную промывку скважины.
Признаки ближайшего аналога, которые совпадают с существенными признаками рассматриваемого гидроударника: гидроударник, который содержит кожух, распределительный переходник с впускным и выпускным отверстиями, корпус с верней и нижней наковальней, клапанную коробку с впускным клапаном, соединенную с цилиндром, в котором размещен поршень, связанный с бойком, выпускной клапан, установленный в осевой проточке поршня и соединенный с впускным клапаном толкателем, и выхлопные каналы, связанные с впускным отверстием кольцевым зазором между кожухом и корпусом.
Этот гидроударник имеет недостаток, который состоит в том, что при его применении невозможно выполнять промывку забоя скважины от шлама, например перед началом рейса, без включения в действие самого гидроударника. А это приводит к непродуктивным затратам мощности при промывке скважины.
Также, рассмотрим подобный гидроударник (Коломоец А. В. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. – М.: Недра, 1985. – 220с. – стр. 143 – 144, рис. 30), который входит в состав снаряда для бурения и очистки скважины содержит: распределительный переходник с впускным и выпускным отверстиями, корпус с верхней и нижней наковальне, клапанную коробку с впускным клапаном, соединенную с цилиндром, в котором размещен поршень, связанный с бойком, выпускной клапан, установленный в осевой проточке поршня и соединенный с впускным клапаном толкателем, пусковой клапан и насосный блок.
Устройство работает таким образом. Гидроударник в составе бурового снаряда спускается в скважину и к нему подается жидкость. Под действием давления жидкости поршень совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары бойком по наковальням. Распределение жидкости в гидроударнике совершается впускным и выпускным клапанами. Ударные импульсы, которые генерирует гидроударник, используются для выполнения работы по разрушению горной породы. Хвостовик бойка приводит в движение насосный блок, который во время хода поршня вверх всасывает жидкость с забоя, а во время хода поршня вниз выбрасывает жидкость в скважину, что обеспечивает обратную промывку забоя.
Этот Гидроударник имеет недостаток, который состоит в том, что при его применении перед началом рейса невозможна промывка забоя скважины от шлама, а в продолжение рейса возможна только обратная промывка забоя скважины, т. к. отработанная жидкость выбрасывается из гидроударника значительно выше забоя. А это позволяет применять этот гидроударник лишь при колонковом бурении, когда шлам собирается в колонковой трубе. При бескерновом бурении использование гидроударника невозможно, т. к. разрушенная порода не выносится из забоя скважины, а в этом случае забой скважины зашламовывается и, как следствие, возникает авария.
Этот гидроударник имеет
недостаток, который состоит в том, что при его использовании невозможно
выполнять промывку скважины и ее забоя от шлама,
например перед
началом рейса, без включения в действие самого гидроударника. А это
приводит к
непродуктивным затратам мощности при промывке скважин.
Применение
предложенного гидроударника позволяет исключить непродуктивные затраты
мощности
при промывке скважины за счет обеспечения возможности перетекания
жидкости на
забой скважины с одновременным отключением гидроударника.
Планируется выполнить:
Анализ современного состояния гидроударных механизмов для бурения скважин.
Анализ существующих методик расчетов гидроударных механизмов для бурения скважин.
Усовершенствование методики расчета гидроударного механизма с учетом особенностей его рабочего цикла.
Усовершенствование конструкции гидроударника для бурения технических и дегазационных скважин и технологии его применения.
В данной работе предложена схема гидроударника для бурения технических и дегазационных скважин.Кроме этого, были приняты рациональные параметры механизма.В перспективе предполагается, что будет усовершенствована методика расчёта гидроударного механизма для бурения технических и дегазационных скважин, а также предполагается применение гидроударных механизмов для интенсификации шарошечного бурения или его полная замена на ударно-вращательное.
Также, предложен уточнённый метод расчёта параметров гидроударников двойного действия с дифференциальным поршнем. Приведены енкоторые результаты эксперементальных исследований рабочего цикла гидроударников, которые применяются в снарядах для бурения скважин в нескальных породах морского шельфа и при проходки технических и дегазационных скважин, которые подтверждают теоретические разработки.
Kemp G.
Oilwell Fishing
Operations:Tools and
Skeem M.R., Friedman M.B. and Walker B.H. Drillstring Dynamics During Jar Operation.- Journal of Petroleum Technology ,Nov., 1979.;