РАЗРАБОТКА СИГНАЛИЗАТОРА ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ БУРЕНИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Каракозов А.А., Парфенюк С.Н., Назарян А.О.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Серія "Гірничо-геологічна" Випуск 14(181) / Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Донецьк, ДонНТУ - 2011, с. 252-256.
   При бурении геологоразведочных скважин в условиях Донбасса, особенно при работах на полях угольных шахт, очень часто пересекаются зоны поглощения промывочной жидкости. Их несвоевременное обнаружение приводит к зашламованию скважины и как следствие – к возникновению тяжёлых прихватов бурового инструмента.
   Технической базы своевременного обнаружения поглощений в геологоразведочных скважинах практически не существует, поэтому приходится полагаться только на бдительность рабочего персонала, что повышает вероятность осложнений и аварий.
   Известны единичные случаи использования сигнализаторов падения уровня жидкости в скважине [1 - 3], однако они не оповещают о наличии частичного поглощения. Кроме того, их методика расчёта позволяет получить только приблизительные рекомендации по месту их установки в буровом снаряде, требующие постоянного уточнения, из-за сложности учёта гидравлических сопротивлений при циркуляции жидкости в скважине.
   Поэтому была поставлена задача по разработке сигнализатора поглощения промывочной жидкости в скважине, который бы отличался надёжностью и простотой эксплуатации.
   Для сигнализатора поглощения промывочной жидкости в скважине был предложен следующий принцип действия, иллюстрированный рис. 1.
Рисунок 1 - Принцип действия сигнализатора циркуляции промвочной жидкости: а) в нормальных условиях; б) при поглощении.


   В сигнализаторе есть датчик 1 скоростного напора и сигнализирующий элемент 2. При этом проходное отверстие сигнализирующего элемента 2 обусловливается положением датчика 1 скоростного напора.    При бурении в нормальных условиях (рис. 1, а) в бурильные трубы подается промывочная жидкость с расходом Q. Жидкость проходит через сигнализирующий элемент 2, в котором потери давления сравнительно небольшие и равняются DР1. Дальше жидкость проходит на забой, попадает в затрубное пространство и протекает через датчик 1 скоростного напора. При этом на датчике 1 скоростного напора возникает перепад давления DР1с. Дальше вся промывочная жидкость выходит на поверхность.
   При бурении в зоне поглощения (рис.1, б) за счет того, что не вся жидкость выходит на поверхность, а только её часть (Q1), перепад давления на датчике скоростного напора уменьшается до величины DР2. При этом датчик 1 скоростного напора изменяет свое положение, отверстие в сигнализирующем элементе 2 уменьшается, и потери давления в нем увеличиваются до величины DР2с. Это повышение давления фиксируется по манометру.
   Таким образом, изменением перепада давления на датчике 1 скоростного напора можно управлять сигнализирующим элементом 2.
   Используя предложенный принцип действия, была разработана конструктивная схема сигнализатора, защищённая патентом [4].
   Общий вид сигнализатора поглощения промывочной жидкости в скважине показан на рис. 2, а его работа – на рис. 3.
Рисунок 2 - Сигнализатор поглощения промывочной жидкости

Рисунок 3 - Сигнализатор поглощения промывочной жидкости: а) в нормальных условиях; б) при поглошении.

   Сигнализатор состоит из корпуса 1, в котором установлен шток 2 с осевым каналом 3, уступом 4, расположенным на внешней поверхности штока 2 ниже корпуса 1, и переходником 5. В осевом канале 3 установлена калиброванная втулка 6, а в штоке 2 выполнены радиальные отверстия 7 и 8, расположенные, соответственно, выше и ниже её. В кольцевом зазоре между корпусом 1 и штоком 2 установлен хвостовик 9 клапана 10. Над хвостовиком 9 расположена пружина 11, которая прижимает клапан 10 к уступу 4. В хвостовике 9 выполнены два ряда радиальных отверстий 12 и 13, расположенных, соответственно, ниже радиальных отверстий 7 и 8. На внутренней поверхности корпуса 1 выполнена кольцевая проточка 14. Кольцевой зазор между корпусом 1 и штоком 2 напротив верхней части пружины 10 соединён со скважиной радиальными каналами 15. На внешней поверхности корпуса 1 и переходника 5 установлены центраторы 16.
   Сигнализатор работает таким образом. Устройство включается в состав бурового снаряда. Оно соединяется с бурильными трубами и спускается в участок скважины, перекрытый обсадными трубами. В процессе бурения под действием течения жидкости в скважине клапан 10 находится в верхнем положении. Поэтому промывочная жидкость перетекает через сигнализатор в обход калиброванной втулки 6 через кольцевую проточку 14, поскольку радиальные отверстия 12 и 13 становятся напротив радиальных отверстий 7 и 8. При этом центраторы 16 защищают клапан 10 от контакта со стенкой скважины или обсадной трубы для обеспечения работоспособности сигнализатора.
   С началом поглощения промывочной жидкости скорость восходящего потока в кольцевом пространстве скважины уменьшается. Тогда перепад давления на щели между клапаном 10 и стенкой обсадной трубы также падает, и клапан 10 под действием пружины 11 перемещается в нижнее положение и опирается на уступ 4. При этом хвостовик 9 перекрывает радиальные отверстия 7 и 8 в штоке 2. В этот момент промывочная жидкость начинает протекать только через калиброванную втулку 6. За счет резкого уменьшения площади сечения каналов, по которым жидкость двигается в устройстве, сопротивление течению жидкости увеличивается. В это время по показателям манометра бурового насоса можно сделать вывод о начале поглощения жидкости в скважине.
   Аналогично сигнализатор сработает и при падении уровня жидкости в скважине ниже места его установки, поскольку при этом на клапан 10 совсем перестает действовать усилие со стороны промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины.
   Применение этого устройства позволяет контролировать поглощение промывочной жидкости за счет увеличения сопротивления её движению в сигнализаторе при снижении её скорости в кольцевом пространстве скважины.
   Для разработки конструкции и выполнения проектных расчетов сигнализатора необходимо определить усилие, которое действует на клапан – датчик скоростного напора. Поскольку это усилие определяется гидравлическими сопротивлениями, то определить его аналитическим путем трудно. Поэтому проводилось численное моделирование работы сигнализатора методом конечных элементов.
   В конечном итоге при моделировании определялись усилия, действующие на тарелку клапана сигнализатора, что позволяло выбрать его конструктивные параметры, подобрать возвратную пружину клапана и определить его чувствительность к изменению расхода жидкости.
   Расчеты проводились для нескольких типоразмеров сигнализатора при разных режимах промывки скважины с учетом вращения и без него. При этом для каждого типоразмера моделирование проводилось для различных диаметров тарелки клапана – датчика скоростного напора.
   В качестве примера результатов моделирования приведём данные для сигнализатора, предназначенного для работы на участке скважины, перекрытого обсадными трубами диаметром 89 мм. Подача жидкости изменялась в пределах от 20 до 120 л/мин. Расчётная сетка модели показана на рис. 4, некоторые результаты моделирования – на рис. 5.
Рисунок 4 - Рсчетная сетка

Рисунок 5 - Результаты моделирования: а) потери давления; б) скорость течения жидкости

   При моделировании были определены значения силы P, действующей на клапан в зависимости от расхода жидкости. Эти результаты для одного из диаметров тарелки клапана приведены в табл. 1.
   Таблица 1 – Значения силы Р, действующей на клапан
Q, л/мин 20 40 60 80 100 120
Р, Н 4,4 17 39 68,5 107 153

   Зависимость силы P от расхода жидкости Q может быть аппроксимирована следующим выражением: P=0,010Q2+0.033Q-0,6.    Также было проведено моделирование с учетом вращения бурильной колонны. Моделирование проводилось для условий бурения станком ЗИФ1200-МР при частотах вращения бурового снаряда 231, 288, 336, 414 об/мин. Полученные данные показали, что для исследуемых величин подач промывочной жидкости, частот вращения и геометрических параметров клапана усилие, действующее на клапан, изменяется незначительно.
   В результате проведенных работ были предложены принцип действия и конструктивная схема сигнализатора поглощения промывочной жидкости, включаемого в состав бурового снаряда. Проведено моделирование работы сигнализатора, позволившее определить его конструктивные параметры и рекомендации по технологии применения. На основании этих данных был разработан ряд сигнализаторов, предназначенных для работы в скважинах разных диаметров.

Литература

  1. Филимоненко Н.Т., Поцепаєв В.В., Курдюков Д.В. Результаты теоретического обоснования способа контроля динамики стола жидкости при бкрении скважины / Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 11.- Донецьк:ДонНТУ, 2000.-С.28-29
  2. Деклараційний патент України №63251А Е21В21/10, Опубл. 15.01.2004, Бюл. №1 Сигнализатор падіння рівня рідини в свердловині.
  3. Результаты испытаний сигнализатора внезапного падения уровня в скважине / Филимоненко Н.Т., Каракозов А.А., Кущ О.А., Козырев О.М. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія:гірничо-геологічна. Вип. 63. – Донецьк. ДонНТУ, 2003 с. 78-81.
  4. 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.