Реферат - Назарян А.О. - Вдосконалення технічних засобів контролю потоку промивальної рідини в свердловині

Рисунок 1 – Сигналізатор раптового падіння рівня промивальної рідини в свердловині: 1 – поплавковий клапан, 2 – втулка, 3 – клапан; а, б, в – канали.

Цей пристрій має наступні недоліки.При поглибленні свердловини він вимагає постійного налаштування, в іншому випадку він сигналізує про поглинання рідини тільки при падінні її рівня в свердловині на досить значну величину. Важко забезпечити точність настройки, оскільки вона залежить від гідравлічних опорів в свердловині, які обумовлені численними факторами, не завжди піддатливими точному обліку або змінними при бурінні [3]. Крім того, сигналізатор при спрацьовуванні знижує тиск рідини в системі, що не дозволяє застосовувати його при бурінні в свердловинах з низьким динамічним рівнем. Також при частковому поглинанні рідини, коли її рівень у свердловині не падає, неможливо проконтролювати його початок з допомогою цього сигналізатора через відсутність подачі сигналу в такому випадку, що може привести спочатку до зашламування свердловини, а далі – до аварії.
Також відома конструкція сигналізатора [4], суть якої пояснюється малюнками, де на рис. 2 показаний загальний вид сигналізатора падіння промивальної рідини в свердловині, на рис. 3, а – сигналізатор у складі бурового снаряда при бурінні свердловини без поглинання промивальної рідини, на рис. 3, б – схема руху рідини в сигналізаторі при бурінні свердловини при поглинанні промивальної рідини.

Рисунок 2 – Сигналізатор падіння рівня рідини в свердловині:

1 – корпус; 2 – камера, 3 – бурильні труби, 4 – перехідник верхній; 5 – перехідник нижній; 6 – радіальні канали,
7 – клапан, 8 – калібрована втулка; 9 – хвостовик; 10 – обвідний канал, 11 – пружина; 12 – манжети.

Рисунок 3 – Сигналізатор у складі бурового снаряда

    Пристрій має наступний недолік.Він сигналізує про поглинання рідини тільки при падінні її рівня в свердловині на досить значну величину.Так само він вимагає постійного налаштування, точність якого важко гарантувати, тому що вона залежить від гідравлічних опорів в свердловині, обумовлених різними факторами, які часто неможливо точно обчислити або змінити при бурінні.Але при частковому поглинанні рідини, коли її рівень у свердловині не падає, неможливо проконтролювати його початок з допомогою цього сигналізатора через відсутність подачі сигналу в такому випадку, що може привести спочатку до зашламування свердловини, а далі – до аварії.
    У порівнянні з попереднім сигналізатором (рис. 1), у даного пристрою є наступна перевага: він дозволяє контролювати рівень рідини в свердловині при бурінні, навіть при низькому динамічному рівні (наприклад, при бурінні в зонах поглинання рідини, обумовлених наявністю старих гірничих виробок), коли рух рідини в бурильних трубах і свердловині фактично здійснюється за рахунок перепаду тиску, обумовленого різницею висот стовпів рідини в бурильних трубах і свердловині.
    Також відома конструкція сигналізатора поглинання промивальної рідини в свердловині [5](їй присвячена магістерська робота Роль А.В.), принцип дії якого показано на рисунку 4.

Рисунок 4 – Принцип дії сигналізатора поглинання промивальної рідини в свердловині

    Перевагою даного сигналізатора є те, що він сигналізує не тільки про падіння рівня, але і про часткове поглинання рідини в свердловині. Так само для розробки рекомендацій щодо його експлуатації достатньо розрахувати перепад тиску на клапані, хоча це завдання доводиться вирішувати шляхом моделювання.
    Він має недолік, який полягає в тому, що при бурінні свердловини до виникнення поглинання промивальної рідини в бурильних трубах постійно підтримується підвищений тиск через додаткові гідравлічні опори руху рідини в сигналізуючому елементі. Це призводить до збільшення витрат потужності на привід бурового насоса.
    Проаналізувавши відомі сигналізатори, можна помітити наступне:

Сигналізатори падіння рівня промивальної рідини не дозволяють виявити незначне падіння рівня промивальної рідини в свердловині. Це може призвести до аварії за рахунок зашламування свердловини. Важко забезпечується точність настройки цих сигналізаторов, оскільки вона залежить від гідравлічних опорів в свердловині, які обумовлені численними факторами, не завжди піддатливими точному обліку або змінними при бурінні. Крім того, вони при спрацьовуванні знижують тиск рідини в системі, що не дозволяє застосовувати їх при бурінні в свердловинах з низьким динамічним рівнем.
А запропонована раніше схема сигналізатора поглинання промивальної рідини хоча і надійна, але постійно підтримує підвищений тиск через додаткові гідравлічні опори руху рідини в сигналізуючему елементі. Це призводить до збільшення витрат потужності на привід бурового насоса, яку при бурінні на полях вугільних шахт не завжди можна застосовувати. Крім того запропонована раніше методика розрахунку не дозволяє точно визначити величину гідравлічних опорів на клапані з-за їх взаємного впливу один на одного. Тому необхідно розробити методику та провести чисельне моделювання роботи сигналізатора в свердловині методом кінцевих елементів.

Опис запропонованого принципу дії і конструктивної схеми

На підставі аналізу запропонованих матеріалів пропонується наступний принцип дії сигналізатора, показаний на рис. 5. У сигналізаторі є датчик швидкісного напору і сигналізуючий елемент. При цьому прохідний отвір сигналізуючого елемента 2 обумовлюється становищем датчика швидкісного напору.

Рисунок 5 – Схема принципу дії сигналізатора циркуляції рідини в свердловині:
а) схема роботи сигналізатора в нормальних умовах, б) схема роботи сигналізатора при поглинанні;
1 – датчик швидкісного напору, 2 – сигналізуючий елемент.

При бурінні в нормальних умовах (рис. 5, а) у бурильні труби подається промивальна рідина з витратою Q. Рідина проходить через сигналізуючий елемент, в якому втрати тиску порівняно невеликі і рівні DР₁. Далі рідина проходить на забій, потрапляє в затрубний простір і протікає через датчик швидкісного напору. При цьому на датчику швидкісного напору виникає перепад тиску DР_1с. Далі вся промивальна рідина виходить на поверхню.
При бурінні в зоні поглинання промивальної рідини (рис. 5, б) за рахунок того, що не вся рідина виходить на поверхню, перепад тиску на датчику швидкісного напору зменшується до DР₂. При цьому датчик змінює своє положення, отвір у сигналізуючому елементі зменшується, і втрати тиску в ньому збільшуються до DР_2с. Це підвищення тиску фіксується на манометрі.

Таким чином, зміною перепаду тиску на датчику швидкісного напору можна керувати сигналізуючим елементом. На основі запропонованої схеми (рис. 5) розроблена конструктивна схема сигналізатора, показана на рис. 6, за якою отримано патент на корисну модель № 50771 від 25.06.2010г. [6]. Його робота в нормальних умовах показана на рис. 7 а, а при поглинанні промивальної рідини 7 б.

Рисунок 6 – Сигналізатор циркуляції промивальної рідини в свердловині

Рисунок 7 – Робота сигнілізатроа циркуляції промивальної рідини в свердловині:
а) в нормальних умовах; б) при поглинанні.

    Сигналізатор складається з корпусу 1, в якому встановлено шток 2 з осьовим каналом 3, уступом 4, розташованим на зовнішній поверхні штока 2 нижче корпусу 1, і перехідником 5.В осьовому каналі 3 встановлена калібрована втулка 6, в штоку 2 виконані радіальні отвори 7 і 8, розташовані, відповідно, вище і нижче каліброваної втулки 6. У кільцевому зазорі між корпусом 1 і штоком 2 знаходиться хвостовик 9 клапана 10, який встановлено на уступі 4.Над хвостовиком 9 розташована пружина 11, яка притискає клапан 10 до уступу 4. У хвостовику 9 виконано два ряди радіальних отворів 12 і 13, розташованих, відповідно, вище радіальних отворів 7 і 8. Кільцева проточка 14 виконана на внутрішній поверхні корпусу 1. Радіальні канали 15 з'єднані з кільцевим зазором між корпусом 1 і штоком 2 навпроти верхньої частини пружини 10. На зовнішній поверхні корпусу 1 і перехідника 5 встановлено центратори 16.
    Сигналізатор працює наступним чином. Пристрій включається до складу бурового снаряда. Він з'єднується з бурильними трубами і спускається в свердловину нижче рівня промивальної рідини. У процесі буріння промивальна рідина протікає через сигналізатор по осьовому каналу 3 штока 2, калібровану втулку 6 і кільцеву проточку 14, оскільки радіальні отвори 12 і 13 у хвостовику 9 клапана 10 встановлюються напроти радіальних отворів 7 і 8 в штоку 2 за рахунок того, що під дією тиску швидкісного напору і перепаду тиску на щілині між клапаном 10 і стінкою свердловини або обсадної труби клапан 10 знаходиться у верхньому положенні, контактуючи з корпусом 1 і стискаючи пружину 11. При цьому рідина з кільцевого зазору між корпусом 1 і штоком 2 випливає в свердловину по радіальних каналах 15. Центратори 16, встановлені на поверхні корпусу 1 і перехідника 5, захищають клапан 10 від контакту зі стінкою свердловини або обсадної труби, що необхідно для забезпечення працездатності сигналізатора.
    З початком поглинання промивальної рідини швидкість висхідного потоку в кільцевому просторі свердловини на рівні установки сигналізатора зменшується.Тоді тиск швидкісного напору і перепад тиску на щілині між клапаном 10 і стінкою свердловини або обсадної труби також падає і клапан 10 під дією пружини 11 переміщується в нижнє положення і спирається на уступ 4.При цьому хвостовик 9 перекриває радіальні отвори 7 і 8 в штоку 2. У цей момент промивальна рідина починає протікати тільки через калібровану втулку 6.При цьому за рахунок різкого зменшення площі перерізу каналів, по яких рідина рухається в пристрої, опір течії рідини в сигналізаторі збільшується. У цей час за показаннями манометра бурового насоса можна зробити висновок про початок поглинання рідини в свердловині.

Анімація принципу дії сигналізатора промивальної рідини в свердловині

Аналогічно сигналізатор спрацює і при падінні рівня рідини в свердловині нижче місця його встановлення, оскільки при цьому на клапан 10 зовсім перестає діяти зусилля з боку промивальної рідини в кільцевому просторі свердловини. Застосування цього пристрою дозволяє контролювати поглинання промивальної рідини в свердловині незалежно від наявності падіння рівня рідини за рахунок зміни опору руху рідини при зниженні її швидкості в кільцевому просторі свердловини на рівні установки сигналізатора.

Моделювання, розрахунки та розробка конструкції сигналізатора циркуляції рідини в свердловині

    Для визначення конструктивних параметрів сигналізатора необхідно розрахувати зусилля, що діє з боку рідини на клапан – датчик швидкісного напору. Оскільки теоретичне вирішення цього завдання ускладнено, було проведено чисельне моделювання методом кінцевих елементів.
    При моделюванні [7] визначалися зусилля, що діють на тарілку клапана сигналізатора, що дозволяло підібрати зворотню пружину клапана і визначити його чутливість до зміни витрати рідини.
    Розрахунки проводилися для двох конструкцій сигналізатора при різних режимах промивання свердловини і з урахуванням обертання і без нього. При цьому проводилося моделювання для різних розмірів клапана – датчика швидкісного напору. Перепад тиску на клапані розраховується шляхом чисельного моделювання методом кінцевих елементів.
    У першому випадку моделювання проводилося для витрати рідини 20-120 л / хв для свердловини діаметром 93 мм, перекритою обсадними трубами діаметром 89 мм з внутрішнім діаметром 79 мм. Модель, за якою велися розрахунки, показана на рис.8.

Рисунок 8 – Модель для аналізу перепаду тиску на клапані

Деякі результати моделювання показані на рисунку 9.

Рисунок 9 – а) втрати тиску; б) швидкість течії рідини.

У результаті моделювання були визначені значення сили, що діє на клапан. На приклад, для одного з клапанів залежність сили, що діє на клапан від витрати рідини може бути апроксимована наступним виразом: y = 0.010x2 +0.033 x-0.6. Графік залежності зображений на рис. 10.

Рисунок 10 – Залежність сили, що діє на клапан, від подачі промивальної рідини

Таким чином, для будь-якого значення подачі рідини від 20 до 120 л / хв, використовуючи цю залежність, можна визначити необхідне зусилля, яке має забезпечувати пружина сигналізатора, що необхідно при проектуванні пристрою та розробці технології її застосування.
Для цієї ж свердловини був розрахований перепад тиску на клапані з урахуванням обертання бурильної колони. Моделювання проводилося для верстата ЗІФ1200-МР з подачами промивної рідини 20, 60, 120 л / хв, з частотами обертання 231, 288, 336, 414 об / хв. На рис. 11 показані витрати тиску, швидкість течії рідини, швидкість течії рідини і її рух в свердловині, лінії струму

Рисунок 11 – Результати моделювання: а) втрати тиску; б) швидкість течії руху; в) напрямок руху рідини; г) лінії струму.

    Виходячи з отриманих значень, можна зробити висновок, що обертання бурильної колони не впливає на втрати тиску на клапані сигналізатора і на зусилля, що діє на клапан - датчик швидкісного напору, в досліджуваних межах.
    Так само моделювання проводилося для цього ж сигналізатора з підвищеними подачами промивальної рідини 125, 175, 230 л / хв, з частотами обертання 231, 288, 336, 414 об / хв. і для сигналізатора, який застосовується в свердловині діаметром 151 мм., перекритою обсадної колоною діаметром 146 мм з внутрішнім діаметром 136 мм. без урахування впливу обертання бурильної колони, оскільки раніше було встановлено, що обертання не впливає на зусилля, що діють на клапан.
    З урахуванням наведених розрахунків була створена реальна конструкція сигналізатора циркуляції рідини в свердловині, 3-D модель якого виконана в пакеті САПР "Компас-3D" і наведена на рис. 12. За цією моделлю розроблена конструкторська документація на сигналізатор.

Рисунок 12 – 3-D модель сигналізатора циркуляції промивальної рідини в свердловині.

Висновок

    На теперішньому етапі виконання роботи був проведений аналітичний огляд сигналізаторів поглинання промивальної рідини, на основі якого були виявлені недоліки в існуючих пристроях.
    Було запропоновано удосконалений принцип дії сигналізатора і розроблена конструктивна схема для його реалізації.
    Для сигналізатора циркуляції промивальної рідини було проведено моделювання в пакеті «ANSYS» для визначення зусиль, що діють на його клапан при роботі. Розрахунки проводилися для свердловини Ø93 мм з урахуванням і без урахування обертання бурильної колони, з нормальними і підвищеними подачами промивальної рідини, і для свердловини Ø151 мм без обліку обертання бурильної колони. З урахуванням цих розрахунків був зроблений висновок, що обертання бурильної колони не впливає на втрати тиску на сигналізаторі. Результати моделювання дозволили спроектувати сигналізатор для різних умов буріння.
    Також були запропоновані раціональні співвідношення конструктивних параметрів, які увійшли в основу рекомендацій із застосуванням розроблених сигналізаторів.
    За конструктивної схемою була розроблена конструкція сигналізатора циркуляції промивальної рідини для експлуатації в свердловинах. Конструкція сигналізатора захищена патентом України на корисну модель № 50771 від 25.06.2010р.
    Застосування розробленої конструкції сигналізатора надає можливість більш точно і швидко виявити поглинання промивальної рідини, що виключає аварії і заощаджує ресурси і кошти.

Література

Филимоненко Н.Т., Поцепаев В.В., Курдюков Д.В. Результаты теоретического обоснования способа контроля динамики стола жидкости при бурении скважины / Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 11. – Донецьк: ДонНТУ, 2000. – С.28-29
Филимоненко Н.Т., Каракозов А.А., Кущ О.А., Козырев О.М. Результаты испытаний сигнализатора внезапного падения уровня в скважине // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія:гірничо-геологічна. Вип. 63. – Донецьк. ДонНТУ, 2003. – с. 78-81.
Ивачёв Л.М. Промывка и тампонирование геологоразведочных скважин: Справочное пособие – М. : Надра, 1989. – 246 с.
Декларационный патент Украины №63251А Е21В21/10, Опубл. 15.01.2004, Бюл. №1 Сигнализатор падения уровня жидкости в скважине.
Декларационный патент Украины №8124 Е21В21/10, Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7 Сигнализатор поглощения промывочной жидкости в скважине.
Патент України на корисну модель № 50771 МПК⁷ Е21В 25/00. Сигналізатор поглинання промивальної рідини в свердловині / Каракозов А. А., Парфенюк С. Н., Роль А. В., Сайгайдак И. Д., Назарян А. О. – опубл. 25.06.2010. – Бюл. №13. – 6 с., ил.
Каракозов А.А., Парфенюк С.Н., Назарян А.О. Разработка сигнализатора поглощения промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин / Наукові праці ДонНТУ. Серія "Гірничо-геологічна" Випуск 14(181), Донецьк, ДонНТУ – 2011, с. 252-256.

Резюме | Біографія

Назарян Артур Оганесович

Гірничо-геологічний факультет

Кафедра технології і техніки геологорозвідувальних робіт

Спеціальність "Буріння свердловин"

Вдосконалення технічних засобів контролю потоку промивальної рідини в свердловині

Керівник: к.т.н., доц. Каракозов Артур Аркадійович

Реферат на тему випускної роботи:

Зміст

Обгрунтування теми і назви, актуальність роботи

Опис запропонованого принципу дії і конструктивної схеми

Моделювання, розрахунки та розробка конструкції сигналізатора циркуляції рідини в свердловині

Висновок

Література