Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования, методы исследования
- 3. Аналитический обзор способов бурения с местной промывкой и конструкций погружных насосов
- 4. Обоснование направления работы и выбор конструкции штангового насоса для бурения с местной промывкой
- 5. Технология бурения усовершенствованным штанговым насосом
- Выводы
- Список источников
Введение
В настоящей работе исследованы способы бурения в условиях поглощения промывочной жидкости и конструкции погружных насосов. Проведенный анализ показывает, что штанговые насоса являются наиболее простыми и надежными. Однако их использование затруднено в силу их несовершенства.
В работе предложена конструкция штангового насоса для местной промывки, который в условиях Донбасса позволяет бурить в зонах катастрофического поглощения или в зонах влияния горных выработок в безударном режиме, с возможностью подбора количества подаваемой на забой жидкости и с осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент плавно регулируемой в широких пределах.
1. Актуальность темы
При бурении на уголь в Донбассе часто приходится бурить в зонах влияния горных выработок. Такое бурение сопровождается катастрофическими поглощениями. Подавать воду с поверхности не выгодно, а иногда и невозможно из–за обрушения стенок скважины.
В таких условиях лучше бурить на остаточном столбе жидкости с помощью различных погружных насосов, создающих в скважине местную циркуляцию промывочной жидкости.
В настоящее время у нас в стране и за рубежом используется много разнообразных технических средств и способов для бурения с местной промывкой, создаваемой погружными насосами в условиях поглощения промывочной жидкости, разработанных для различных условий эксплуатации, отличающихся конструктивно и по принципу действия. Их анализ показывает, что одним из наиболее простых насосов являются погружные штанговые насосы.
Известные штанговые насосы отличаются друг от друга конструкцией узлов для передачи вращения от бурильных труб на колонковый набор, количеством клапанов. Узлами для смягчения ударов поршней в крайних точках.
Однако применяемые простые по устройству штанговые насосы для бурения с местной промывкой имеют общие недостатки:
– осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент может создаваться только весом утяжеленных бурильных труб, установленных на штоке насоса;
– при расхаживании бурового снаряда породоразрушающий инструмент отрывается от забоя, что приводит к повреждению керна и к его самозаклинке;
– происходят удары поршня о нижнюю и верхнюю крышки цилиндра насоса. Такие удары приводят к повреждению насоса и к выпадению керна из колонковой трубы.
Кроме того для увеличения подачи погружного насоса приходится использовать насосы двойного действия со сложной системой клапанов.
2. Цель и задачи исследования. Методы исследований. Научная новизна. Научное и практическое значение полученных результатов
Целью настоящей работы является усовершенствование конструкции штангового насоса для местной промывки, который в условиях Донбасса позволяет бурить в зонах катастрофического поглощения или в зонах влияния горных выработок в безударном режиме, с возможностью подбора количества подаваемой на забой жидкости и с осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент плавно регулируемой в широких пределах.
Для достижения поставленной цели определяются следующие задачи:
- Анализ существующих конструкций штанговых насосов для бурения с местной промывкой забоя.
- Усовершенствование методики расчета штанговых насосов для бурения с местной промывкой и определение его рабочих параметров.
- Усовершенствование конструкции штангового насоса для бурения с местной промывкой.
- Разработка технологии использования усовершенствованной конструкции штангового насоса для бурения с местной промывкой.
Методы исследований. Поставленные задачи решаются путем обобщения и анализа патентных и литературных источников, проведения теоретических исследований, выполнения исследовательско – конструкторских работ.
Научная новизна. Уточнена методика расчета штангового насоса для бурения с местной промывкой, позволившая изучить закономерности работы усовершенствованного устройства с возможностью выбора эффективного сочетания конструктивных размеров механизма и параметров гидросистемы: гидронасос – скважина.
Научное и практическое значение полученных результатов.
Научное значение работы заключается в возможности использования полученной теоретической модели и применение добытых знаний в буровой отрасли.
Практическое значение выражается в создании эффективной конструкции штангового насоса, который обеспечивает в условиях Донбасса эффективное бурение с местной промывкой в зонах катастрофического поглощения или в зонах влияния горных выработок за счет обеспечения бурения в безударном режиме, с возможностью подбора количества подаваемой на забой жидкости и с осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент плавно регулируемой в широких пределах.
3. Аналитический обзор способов бурения с местной промывкой и конструкций погружных насосов
Часто для проходки скважины с обратной призабойной циркуляцией промывочной жидкости применяют безнасосное бурение.
Сущность безнасосного бурения (рис.1) заключается в том, что будучи спущенным на бурильных трубах в скважину специальный снаряд приводится во вращение, в процессе которого он периодически расхаживается.
Во время вращательного движения и перемещения снаряда вниз и вверх осуществляется циркуляция жидкости в зазорах между стенками скважины, снарядом и керном.
При подъеме снаряда над забоем происходит засасывание жидкости во внутреннюю полость колонковой трубы, вместе с которой поднимается с забоя выбуренный шлам. При опускании снаряда на забой жидкость, несущая шлам, открывает специальный клапан в снаряде, протекает по шламопроводящей трубке и шламоулавливающей трубе, затем через отверстия в переходнике изливается в скважину.
В шламоулавливающей трубе происходит выпадение шлама вследствие резкого снижения скорости движения жидкости.
Таким образом, в процессе бурения происходит периодическая обратная циркуляция жидкости в призабойной зоне, что обеспечивает вынос шлама с забоя скважины в шламоулавливающую трубу, в большинстве случаев закрытого типа [2].
Большую группу насосов для бурения в условиях поглощения представляют штанговые насосы. Известны штанговые насосы, которые используются при бурении с местной промывкой.
В штанговом насосе конструкции А.С. Покальчука (рис. 2) установлена пружина для смягчения ударов поршня.
Рисунок 1 – Схема промывки скважины при безнасосном бурении
Рисунок 2 – Штанговый насос конструкции А.С. Покальчука
Насос включает в себя головку–корпус 1, сальник 2 и шток 3. Сальник 2 уплотняет шток. Нижний конец штока снабжен поршнем 4 и подпружиненным клапаном 5, который выполняет функции всасывающего клапана.
Жидкость из скважины поступает через полый шток, откуда через всасывающий клапан в цилиндр 6. На нижнем конце цилиндра помещен нагнетательный клапан 7 насоса. Пружина 8 и поддерживающий ее стержень 9 предназначены для смягчения ударов поршня о нижнюю часть цилиндра [1].
Достоинства: возможность создания прямой и обратной циркуляции жидкости, простое устройство, повышается процент выхода керна.
Недостатки: небольшая производительность, повышенный износ бурового оборудования.
Колонковый снаряд КСБ–5 конструкции А.А. Гребенюка (рис. 3) представляет собой двойной колонковый снаряд, верхняя часть которого является цилиндром поршневого насоса, где и располагается поршень с кожаной манжетой.
Крутящий момент в снаряде передается коронке 1 выступами полого штока 16, скользящими в пазах переходника 15, через цилиндр 14, переходник 9 и колонковую трубу 3. Керноприемник 4 в процессе бурения не вращается, это обеспечивается шаровой опорой 6 и подпятником 7.
Необходимое движение жидкости для выноса частиц разбуренное породы из–под резцов коронки 1 обеспечивается периодическим расхаживание поршня насоса бурового снаряда с помощью рычага станка или лебедки.
Частицы разбуренной породы транспортируются промывочной жидкостью по внутреннему кольцевому зазору между керноприемником 4 и колонковой трубой 3, каналом 8, шламопроводящей трубе 11, через клапан 12 в цилиндр 14. Здесь шлам выпадает из жидкости и оседает в шламосборнике 10, а жидкость перемещается выше по каналу штока 16, через клапан 19 и сливается в полость утяжелителя 20 через каналы 18, а затем через продольное отверстие 17 в скважину.
Верхнее расположение каналов 12 и 18 исключает возможность скопления шлама над ними, так как шлам после подъема клапана сразу же удаляется потоком жидкости через сливные каналы 13 и 18.
По мере поступления керна в керноприемник жидкость из пространства над керном отсасывается насосом бурового снаряда через отверстие 5. Отсасывание жидкости в значительной мере облегчает продвижение керна в керноприемник.
При подъеме колонкового снаряда на поверхность керн удерживается в керноприемнике пружинами 2 [2].
Рисунок 3 – Колонковый снаряд КСБ–5
Достоинства: неподвижность керноприемника обеспечивает защиту керна, исключается возможность засорения керна пустыми породами, возможность создания прямой и обратной циркуляции жидкости, простое устройство.
Недостатки: повышенный износ бурового оборудования.
Глубинный штанговый насос НВГ–1–43–АВ (рис. 4) предназначен для эксплуатации в обводненных скважинах с агрессивными средами.
Глубинный насос состоит из цилиндра 1 и плунжера, выполненного из двух частей 2 и 5, соединенных между собой ниппелем 3 с трубкой 6, ниппель имеет продольные канавки, соединяющие внутреннюю полость нижней половины плунжера с разделительной камерой 4.
Принцип работы насоса заключается в следующем. При возвратно–поступательном движении плунжера, нефть под действием архимедовой силы накапливается в кольцевом сечении между трубкой и внутренней стенкой плунжера и, проходя через продольные канавки, заполняет разделительную камеру. Поступая в зазор между плунжером и цилиндром, нефть предотвращает контакт трущихся поверхностей с агрессивной водой [1].
Рисунок 4 – Глубинный штанговый насос НГВ–1–43–АВ
Общим недостатком штанговых насосов, используемых для откачки жидкости является сложность конструкции и отсутствие узла для передачи крутящего момента на колонковый набор.
Таким образом, разнообразные конструкции штанговых насосов требуют доработки с учетом условий геологоразведки.
4. Обоснование направления работы и выбор конструкции штангового насоса для бурения с местной промывкой
Из проведенного анализа видно, что наиболее простыми в изготовлении и применении являются штанговые насосы. Однако их использование затруднено в силу их несовершенства.
Практически все штанговые насосы не имеют надежной конструкции устройства для смягчения ударов поршня в крайних точках. Удары приводят к снижению моторесурса узлов насоса и не позволяют отбирать керн с ненарушенной ударами структурой. Поэтому необходимо предусмотреть устройство для смягчения ударов.
При бурении известными штанговыми насосами колонковый набор отрывается от забоя, что может привести к заклиниванию керна и к прекращению циркуляции жидкости. Поэтому необходимо предусмотреть удержание цилиндра от подъема.
Наличие в насосах, как правило, одного поршня не позволяет регулировать количество перекачиваемой жидкости при бурении в скважинах малого диаметра.
В процессе бурения известными штанговыми насосами невозможно оперативно регулировать осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент сложно, поскольку обычно она зависит от веса УБТ.
Таким образом, для устранения недостатков, присущих рассмотренным насосам, необходимо усовершенствовать конструкцию щтангового насоса, который позволил бы условиях Донбасса бурить в зонах катастрофического поглощения или в зонах влияния горных выработок с местной промывкой в безударном режиме, с возможностью подбора количества подаваемой на забой жидкости и с осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент плавно регулируемой в широких пределах.
С целью устранения недостатков, присущих рассмотренным насосам, предложена усовершенствованная конструкция штангового насоса, которая позволяет уменьшить удары в крайних точках, дает возможность регулировать количество перекачиваемой насосом жидкости и плавно регулировать осевую нагрузку.
На рисунке 5 показана схема усовершенствованного штангового насоса.
Насос состоит из поршня для создания осевой нагрузки 2, одного или нескольких поршней 3 для регулирования подачи насоса, штока 4, цилиндров 5, шлицевого узла для передачи вращения 7, клапанов 8,9.
На рисунке 6 показана схема применения насоса в скважине.
Рисунок 5 – Схема погружного штангового насоса для бурения в условиях поглощения промывочной жидкости
Рисунок 6 – Схема применения штангового насоса в скважине
После установки насоса в скважину по колонне бурильных труб наземным силовым насосом подается жидкость. Давление жидкости создает усилие на поршень 2, прижимая колонковый снаряд к забою. Таким образом, изменяя расход и давление можно плавно регулировать осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент в широких пределах.
Благодаря тому, что поршень 2, прижимает колонковый снаряд к забою, колонковый набор не отрывается от забоя, что способствует сохранности керна.
Крутящий момент от колонны бурильных труб на колонковый набор передается через шлицевый узел 7.
Данное устройство шлицевого узла позволяет осуществлять расхаживание бурового снаряда без отрыва колонкового набора от забоя.
Цилиндры 5 насоса подвижные. При расхаживании колонны труб возвратно – поступательное движение цилиндров 5 относительно поршней 3 вызывает обратную циркуляцию промывочной жидкости.
При ходе колонны штанг цилиндр 5 перемещается вверх, в верхней полости цилиндра произойдет разряжение, что вызовет всасывание жидкости из скважины через буровой снаряд, проходной канал в переходнике 10, шаровой клапан 8.
При движении цилиндра 5 вниз жидкость вытесняется в затрубное пространство через шаровой клапан 8.
Для регулирования подачи насоса, можно устанавливать требуемое количество поршней 3. Причем при различном числе поршней и цилиндров используется только два клапана – всасывающий 9 и нагнетательного 8, что значительно упрощает конструкцию насоса.
В усовершенствованном насосе предусмотрено устройство для смягчения ударов поршня в крайних точках.
Для этого в верхней части неподвижного поршня выполнен конус 11, а в подвижном переходнике – коническое отверстие 12. Попадая в коническое отверстие конус, а значит и цилиндр, встречая дополнительное сопротивление замедляют скорость движения и поршень останавливается в крайнем нижнем положении без удара.
Предусмотренное в усовершенствованной конструкции устройство для смягчения ударов поршня в крайних точках позволит повысить моторесурс узлов насоса и позволит отбирать керн с ненарушенной ударами структурой.
Таким образом, использование усовершенствованного штангового насоса в условиях Донбасса даст возможность бурить в зонах катастрофического поглощения или в зонах влияния горных выработок.
На рисунке 7 показана анимация принципа работы усовершенствованого штангового насоса в скважине.
Рисунок 7 – Анимация принципа работы усовершенствованого штангового насоса в скважине
(анимация: 7 кадров, 10 циклов повторения, 195 килобайт)
На рисунках 8-12 показаны основные узлы усовершенствованного штангового насоса.
Рисунок 8 – Узел для создания осевой нагрузки
1 – переходник;
2 – поршень;
3 – шплинт; 4 – гайка корончатая;
5 – кольцо нажимное;
6 – манжета; 7 – шток;
8 – гайка; 9 – корпус
Рисунок 9 – Узел для регулирования подачи насоса
1 – поршень; 2 – шток;
3 – гайка корончатая;
4 – кольцо нажимное;
5 – манжета; 6 – гайка
Рисунок 10 – Направляющий узел
1 – ниппель;
2 – гайка накидная;
3 – манжета резиновая;
4 – кольцо распорное;
5 – втулка; 6 – шток;
7 – корпус
Рисунок 11 – Шлицевой узел
1 – шток;
2 – ниппель ведомый;
3 – шпонка
Рисунок 12 – Клапанный узел
1 – ниппель ведуший;
2 – нагнетательный клапан;
3 – седло клапана;
4 – всасывающий клапан;
5 – нижний переходник
5. Технология бурения усовершенствованным штанговым насосом
Перед использованием насосного агрегата проверяется наличие необходимой технической документации: паспорта, технических условий, монтажно–установочных и монтажно& ndash; сборочных чертежей, заводских монтажных конструкций и т.д. Далее проверяется комплектность насосного оборудования.
Перед спуском в скважину производится расконсервация насоса и внешний осмотр, проверяется состояние резиновых элементов, шлицевого узла и других узлов. Проверяется герметичность шариковых клапанов и легкость перемещения шлицевого узла. Корпусные детали проверяются на отсутствие на них каких–либо повреждений, забоин и трещин.
Перед началом работы насоса необходимо окончательно проверить плавность и легкость регулирования составных частей агрегата.
На приемных мостках собирается колонковый набор в соответствии с физико–механическими свойствами перебуриваемых пород с противоаварийным переходником и штанговый насос.
К колонковому набору присоединяется полуавтоматический элеватор, входящий в комплект буровой установки, набор опускается в скважину и устанавливается на подкладную вилку.
Затем таким же образом поднимается штанговый насос и соединяется с колонковым набором.
Штанговый насос с колонковым набором на бурильных трубах опускается в скважину и устанавливается ниже динамического уровня на 3–5м. Спуск выполняется по обычной методике спуско – подъемных операций (СПО).
После спуска насоса в скважину буровым насосом подается в скважину вода под давлением, которое соответствует требуемой в ГТП осевой нагрузке на породоразрушающий инструмент. Дается вращение и производится бурение с заданной в ГТП длиной рейса.
При бурении производится расхаживание колонны бурильных труб на высоту 1м с частотой 8 ход/мин.
При работе эксплуатации насоса, следует постоянно контролировать правильность работы отдельных его узлов, фиксируя любые ненормальности, которые устраняются при первой же остановке насоса.
В период эксплуатации после подъема насоса на поверхность систематически производятся профилактические осмотры. Замеченные неисправности заносятся в сменный журнал, который является первичным документом, характеризующим техническое состояние оборудования. На основании этого журнала определяются сроки, характер осмотра и объем ремонта, своевременность которых обеспечивает сохранность оборудования и бесперебойность работы насосного агрегата.
После извлечения из скважины, насос промывается водой, разбирается, все подвижные детали смазываются смазкой УС–2.
Выводы
В результате проведенного анализа существующих способов бурения в условиях поглощения промывочной жидкости с местной промывкой забоя установлено, что наиболее простым способом бурения является бурение с созданием промывки штанговыми насосами.
С целью устранения недостатков, присущих штанговым насосам предложена схема усовершенствования насоса для бурения в условиях поглощения промывочной жидкости.
В насосе в верхней части цилиндра установлен дополнительный цилиндр с поршнем, позволяющий регулировать осевую нагрузку в широких пределах. Также в верхней части цилиндра установлен конус, а в переходнике – конусная проточка, которая позволяет смягчать удары поршня в крайних положениях.
Для регулирования подачи насоса, можно устанавливать требуемое количество поршней при использовании только двух клапанов – всасывающего и нагнетательного, что значительно упрощает конструкцию насоса.
Таким образом, разработанная конструкция имеет значительное преимущество перед известными и это позволяет использовать насос в условиях Донбасса.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Пилипец В.И. Насосы для подъема жидкости/ В.И. Пилипец. – Донецк: РИА, 2000. – 244 с.
- Волков А.С., Волокитенков А.А. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости/ А.С. Волков, А.А. Волокитенков. – М.: Недра, 1970. – 184 с.
- Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя/ В.И. Анурьев. – М.: Недра, 1978. – 920 c.
- Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Погружной пневматический насос / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976.
- Есьман И.Г. Насосы / И.Г. Есьман. – М.: Недра, 1954. – 288 c.
- Лисикян К.А., Докукин В.И., Документов И.И. Штанговые глубинные насосы / К.А. Лисикян, В.И. Докукин, И.И. Документов. – Баку: Азнефтеиздат, 1945.
- Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Исследование рабочего процесса погружного поршневого гидроприводного насоса / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №687, 1976.
- Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Погружной насос для перебурки водопоглащающих горизонтов с местной промывкой забоя (Расчет рабочих параметров погружных поршневых насосов с гидроприводом) / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИЭИУголь, № 12, 1976.
- Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Штанговый поршневой насос для откачки жидкости из стволов шахт, пройденных бурением / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, № 12, 1976.
- Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Погружной пневматический насос / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976.