Буріння свердловин
Дослідження шельфу Чорного та Азовського морів – одне з ключових завдань, які ставить перед собою держава. Як вже неодноразово зазначалося експертами, потенційні запаси шельфу оцінюються в 2,4 млрд. тонн умовного палива. Україна є імпортером вуглеводневих енергоресурсів з інших країн СНД, і економічно доцільна її енергетична незалежність при наявних запасах. Тому дуже актуальною є розвідка шельфу Чорного моря, а як наслідок і розробка технічних засобів, для її здійснення.
Магістерська робота присвячена дослідженню свердловинних компонувань для відбору проб грунтів при бурінні свердловин на шельфі, розробкою конструкцій забивного і гідроударного пробовідбірників для буріння в різних за твердістю грунтах.
Загальнодержавною програмою розвитку мінерально-сировинної бази України на період до 2030 року та стратегією розвитку України до 2030 року заплановано збільшення обсягів видобутку газу і нафти на шельфі за рахунок будівництва нових морських видобувних платформ. Для цього необхідно виконання великих обсягів інженерно-геологічних досліджень, у тому числі – буріння геотехнічних свердловин глибиною до 100 метрів зі спеціалізованих бурових суден і самопідйомних бурових платформ.
Для цього потрібна розробка нових і вдосконалення існуючих технологій і технічних засобів відбору проб грунтів при бурінні цих свердловин.
У ДонНТУ в останні роки створено ряд технічних засобів і технологій гідроударного буріння інженерно-геологічних свердловин, які дозволяють значно підвищити техніко-економічні показники бурових робіт. На підставі раніше проведених досліджень пропонується подальша розробка свердловинних пробовідбірників для геотехнічних свердловин, а саме забивних і гідроударних, на базі яких планується вдосконалення технологій і технічних засобів для буріння геотехнічних свердловин глибиною до 100 метрів зі спеціалізованих бурових суден і самопідйомних бурових платформ. При цьому досить важливими є питання підбору раціональних компонувань пробовідбірника з бурильної колоною та визначення їх впливу на механічну швидкість буріння.
Отримані результати дозволять підвищити продуктивність і знизити собівартість бурових робіт при інженерно-геологічних дослідженнях на шельфі.
Тому розробка нових технічних засобів для буріння свердловин на шельфі на сьогоднішній день є актуальним завданням.
Мета роботи – вдосконалення свердловинних пробовідбірників ударної дії з гідравлічним приводом (забивних і гідроударних) для буріння свердловин на шельфі та визначення раціональних компонувань пробовідбірника з бурильної колоною.
Основні завдання дослідження:
Об'єкт дослідження: забивні і гідроударні свердловин пробовідбірники ударної дії з гідравлічним приводом для буріння свердловин на шельфі.
Предмет дослідження: робочі процеси при бурінні свердловин на шельфі свердловинними забивними і гідроударними пробовідбірниками.
У рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:
Значення роботи полягає у визначенні впливу конструктивної схеми свердловинного пробовідбірника ударної дії з гідравлічним приводом і його компонування з бурильної колоною на механічну швидкість буріння і обгрунтуванні його конструктивних параметрів і компонування для різних умов застосування.
Область буріння на шельфі активно розвивається, тому у пробовідбірників, які розробляються є ряд аналогів. В даний час за схемою Г.І. Неудачина розроблені і отримали широке застосування установки УГВП-150, УГВП-130, УГВП-130/8, УГВП-150М, здатні виконувати однорейсове буріння з перетином по вертикальному розрізу свердловин грунтів будь-якої консистенції,які відносяться до I-IV категорій за буримістю на глибину до 6 – 10 м з борту неспеціалізованих судів. Більш високі експлуатаційно-технічні можливості установок УГВП-150 і УГВП-130 реалізовані, головним чином, за рахунок розширення функцій гідроударного бурового снаряда. У розроблених багатофункціональних бурових снарядах, крім примусового заглиблення колонкового набору в грунт і створення зворотної циркуляції рідини в керноприймальній трубі, забезпечена можливість розмиву стінок свердловини уздовж поверхні колонкового набору. При цьому створюються умови, за яких занурення і витяг ПБС проводиться без істотного впливу зусиль тертя по поверхні контакту порід з колонковим набором.
В установці УМБ-130 використовується багатофункціональний гідроударний буровий снаряд з верхнім пусковим вузлом (ВПУ) для запуску гідроударника і нижнім пусковим вузлом (НПУ) для включення гідромоніторного розмиву.
Рисунок 1 – Буровий снаряд установки УМБ-130:а) в режимі гідроразмиву; б)під час відбору проби.
ВПУ розміщується в циліндрі 16, з'єднаному з верхнім перехідником 1, і включає пусковий клапан 3 з пружиною 2 і поршень 4 з пружиною 5.
НПУ з'єднується з ковадлом 15 штоком 17. Нижня частина штока має ступінчату форму. Верхня ступінь 10 забезпечує ущільнення внутрішньої поверхні зовнішньої труби 12, а нижня ступінь 11 є ущільнювальної втулкою для внутрішньої (керноприймальної) труби 13. На штоку 17 концентрично встановлені поршень 8 з пружиною 9 і пусковий клапан 6, що спирається на пружини 7, розміщені в каналах верхньої ущільнювальної ступені 10.
У режимі гідророзмиву інтервала, який був пройдений раніше,в свердловині виконується запуск ВПУ. Збільшиться витрата рідини в нагнітальному трубопроводі. За рахунок цього зростає швидкісний напір і перепад тиску на пусковий клапан 3, який переміщується вниз, стискаючи пружину 2, і перекриває осьовий отвір «а» в підпружиненому поршні-сідлі 4 (рис.2 а). У камері «г» різко підвищується тиск, що забезпечує пересування поршня 4 вниз. При цьому відкриваються бічні вікна «б», забезпечуючи прохід рідини в кільцевий зазор «е» між кожухом і корпусом гідроударника, оминаючи робочі камери гідродвигуна машини.
Потік рідини через канал «ж» потрапляє в камеру «к», і повністю сприймається поверхнею клапана 6 НПУ, який, долаючи опір пружин 7, опускається вниз, закриваючи канали «д» у верхній частині 10 штока 17. За рахунок того, що в камері «к» відбулося зростання тиску, поршень 8 переміщується вздовж штока, відкриваючи канали «л» для проходу рідини в керноприймальну трубу 13, і далі, через спеціальний кернорватеч до башмака 14 - на вибій свердловини.
Для роботи ПБС в режимі відбору керну (рис.2 б), в нагнетальну лінію скидається кулька 5. Після посадки кульки в сідло поршня 4 в нагнітальному трубопроводі підвищується тиск, сила якого забезпечує зрізання шплінтів 2. Поршень опускається вниз, перекриваючи канал «б». Одночасно відкриваються вікна «в», через які рідина направляється в циліндр гідроударника. Під дією тиску рідини поршень починає виконувати зворотно-поступальні рухи між ковадлами з передачею на них ударних навантажень,які сприяють заглибленню ПБС в породу. Повернення ВПУ у вихідне положення (рис.2 а) можливе тільки після підйому установки для вилучення кульки і перезарядження вузла.
Освоєння нафтогазових родовищ українського шельфу сприяло створенню нових технологій і технічних засобів буріння при проведенні інженерно-геологічних досліджень на площадках постановки платформ і трасах підводних трубопроводів. Дослідження, виконані фахівцями кафедри «Технологія і техніка геологоразвідувальних робіт» ДонНТУ за участю ЗАТ «Компанія« Юговостокгаз », дозволили розробити технологію поінтервального буріння глибоких інженерно-геологічних свердловин погружними гідроударними снарядами[1] [2] .
Восени 2007 року при виконанні геотехнічних досліджень на Суботинському нафтогазовому родовищі, яке освоюється ДАТ «Чорноморнафтогаз», з самопідйомної бурової установки (СПБУ) «Сиваш» з використанням даної технології була пробурена інженерно-геологічна свердловина глибиною 78 м.
Для відбору проб донних відкладень в пісках і піщаних грунтах використовувалися модернізовані гідроударні бурові снаряди ПБС-110 з колонкової трубою діаметром 108 мм, а для відбору монолітів - спеціально розроблені для цієї мети пробовідбірники, які вдавлюються.
Технологічна схема поінтервального проходки свердловин гідроударними снарядами ПБС-110 з СПБУ «Сиваш» наведена на рис. 1.
Рисунок 2 – Технологічна схема поінтервального проходки свердловин гідроударними снарядами ПБС-110 з СПБУ «Сиваш»:
1 – вертлюг-сальник; 2 – головка обсадної колони ∅146 мм; 3 – хомут; 4 – головка обсадної колони ∅219-245 мм; 5 – бурильні труби ∅73 мм; 6 – обсадна колона ∅ 146 мм;7 – ПБС-110; 8 – керн; Q – подача рідини.
Сначала с СПБУ спускается водоотделяющая колонна диаметром 219-245 мм. Её башмак устанавливается на расстоянии 1,5-2 м от дна моря. При наличии сильных течений башмак колонны следует заглубить в грунт во избежание её вибрации и изгиба при проведении работ. Затем спускается колонна обсадных труб диаметром 146 мм, предназначенная для крепления стенок скважины в процессе её углубки. После этого начинается отбор проб.
Спочатку відбирається перша проба за допомогою ПБС. Перед відбором наступної проби розмивають породу, яка обсипалася, першого інтервалу, а потім проводять пробовідбір. Перемикання режимів роботи здійснюється за рахунок розподільних вузлів, які входять до складу снаряда. проби з наступних інтервалів відбираються аналогічно. Додатково передбачається періодичне кріплення стінок свердловини обсадними трубами діаметром 146 мм по мірі її поглиблення на величину, відповідну довжині однієї обсадної труби.
У 2006 р. в ДонНТУ на базі раніше існуючих снарядів ПБС-108 і ПБС-127 були розроблені гідроударні бурові снаряди ПБС-110 і ПБС-130 (рис. 3) з одинарними колонковими трубами диметром 108 і 127 мм.
Рисунок 3 – Принципова схема снарядів ПБС-110 та ПБС-130: а) в режимі гідророзмиву; б) в режимі відбору проби.
Конструктивно снаряд складається з вернего пускового вузла (ВПУ), гідроударника і нижнього пускового вузла (НПУ).
НПУ включає товстостінний циліндр 9, що з'єднується з нижнім ковадлом 15. На штоку 8 розміщується поршень 6 з пружиною 7.
У режимі гідророзмиву (рис 2. а) через канал «ж» подається збільшена кількість рідини, що приводить до посилення навантаження на поршень 6, який, долаючи опір пружини 7, переміщується вниз. Відбувається послідовне закриття вікон «д» та відкриття бічних вікон «л» в штоку 8. У такому положенні елементів НПУ рідина надходить всередину колонкової труби 10 і далі, через башмак 11 і спеціальний прохідний кернорвач 12, на вибій свердловини.
При роботі гідроударника в режимі відбору керна (рис. 2 б) в нагнітальний шланг спрямовувалась кулька. Спрацьовував ВПУ, що забезпечувало запуск гідроударного механізму. З цього моменту починався відбір керна на наступному інтервалі свердловини. Відпрацьована рідина проходить по кільцевому зазору між кожухом і корпусом гідроударника, і далі через канал «ж» у ковадлі 15 і радіальні вікна «д» в циліндрі 9 виходить у свердловину. При цьому сила,яка діє на поршень 6,та формулюється величиною перепаду тиску рідини в камері «до», компенсується пружиною 7.
У 2007 р. на ділянці берегового примикання Одеського газового родовища в Чорному морі виконана експерементальна оцінка ефективності ПБС-130. Снаряди випробовувалися у складі УМБ-130 з МБ «Центавр» при многорейсовому бурінні чотирьох свердловин глибиною 8-10 м.
Прототипом забивного пробовідбірника є пробовідбірнік (Деклараційний патент України № 51070 кл. Е21В 25/18, опубл. 15.11.2002), який містить поршневий гідромотор і ударний вузол, що складається з бойка, корпусу і ковадла, жорстко з'єднаного з керноприймальною трубою.
Рисунок 4 – Пробовідбірник: а)гидродвигун, б)ударний вузел, в)керноприймальна труба
При цьому шток поршня гідродвигуна виконаний окремо від бойка і на ньому встановлені захвати для періодичної взаємодії з бойком і перегородкою, що відокремлює гідродвигун від ударного вузла, на бойку і перегородці виконані конічні поверхні, а ковадло і керноприймальна труба встановлені з можливістю переміщення відносно корпусу ударного вузла.
Відбір проби грунту проводиться таким чином. При роботі гідродвигуна захвати здійснюють зворотно-поступальний рух. У нижньому положенні вони захоплюють бойок, який знаходиться на ковадлі. При підйомі до рівня, коли захвати взаємодіють з перегородкою, бойок звільняється і рухається вниз під дією власної ваги до ковадла і завдає по ній удар. Під дією ударів, переданих на керноприймальну трубу, відбувається її поглиблення в грунт. Після закінчення рейсу пробовідбірник витягується зі свердловини судновою лебідкою.
Цей пробовідбірник має такий недолік. Його конструкція не забезпечує промивку вибою свердловини через порожнину керноприймальної труби, оскільки система каналів для циркуляції рідини в пробовідбірники не дозволяє цього зробити. Таким чином, при застосуванні пробовідбірника при многорейсовому бурінні за технологією, коли він спускається в свердловину на бурильних трубах, а не всередині них, перед відбором проби грунту неможливо очистити забій від породи,яка обсипаляся.Це призводить до фактичного зниження довжини рейсу і якості проби.
У аналогів пристроїв,які розробляються можна виділити основний ряд недоліків:
В удосконалених конструкціях дія цих факторів зводиться до мінімуму, тому що вони мають порівняно нескладну конструкцію, прості в обслуговуванні, мають розподільний вузол для перенаправлення потоку рідини для промивання вибою.
Рисунок 5 – Забивний пробовідбірник [10]
Пробовідбірник складається з трьох основних вузлів (рис. 4) - поршневого гідродвигуна (ГД), ударного вузла (бойок, корпус, ковадло) і керноприймальної труби.
Пробовідбірник працює таким чином. Він спускається в свердловину на колоні бурильних труб, до якої він приєднаний перехідником. При контакті башмака з вибоєм спуск у свердловину закінчується.
Перед початком відбору проб з метою очищення вибою від породи, яка осипалася, по бурильнії колоні подається рідина. Вона через камеру 2, канали 8 і 14, кільцевий зазор між кожухом 3 та корпусом 4 надходить у порожнину корпусу 5 ударного вузла, звідки по кільцевому зазору між клапаном-золотником 26 і сідлом 27 через отвори 28 подається в кільцевий зазор між стінками свердловини і пробовідбірником .
Рисунок 6 – Вид пробовідбірника в робочому положенні: а) під час промивання вибою, б) під час відбору проби
Під час підйому пробовідбірника над вибоєм зменшується величина зазору між клапаном-золотником 26 і сідлом 27. Внаслідок чого тиск над клапаном-золотником 26 підвищується, і останній, стискаючи пружину, переміщується вниз і відкриває канал 29. Рідина по каналу 29 надходить у порожнину керноприймальної труби 25 і далі - через кернорвач 32 і башмак 31 - на вибій свердловини, розмиваючи породу, яка обсипалася (рис.5 а).
Для відбору проб в колону бурильних труб скидається пусковий клапан 10 (кулька), який сідає в сідло 9 і перекриває осьовий канал 8 поршня 7. Тиск у камері 2 розподільного перехідника 1 підвищується, зрізаються штифти 11, і поршень 7 переміщується в крайнє нижнє положення. При цьому канал 14 перекривається бічною поверхнею поршня 7, а канал 13 відкривається. Таким чином, порожнина корпусу 5 відділяється від джерела тиску, і рідина надходить у вхідну порожнину 16 гідродвигуна, який включається в роботу. У процесі роботи шток 18 здійснює зворотно-поступальний рух, а рідина з гідродвигуна виходить у свердловину через канал 17 (рис.5 б).
При переміщенні штока 18 вгору він захватами 20 піднімає бойок 21 над ковадлом 24 до контакту захватів 20 з конічною поверхнею 19 перегородки 6. При цьому бойок 21 звільняється і під дією власної ваги рухається вниз і б'є по ковадлу 24. Під дією цього удару керноприймальна труба заглиблюється в грунт. При переміщенні штока 18 вниз захвати 20 знову з'єднуються з конічною головкою 22 бойка 21. Після цього цикл роботи повторюється. Після закінчення рейсу пробовідбірник витягують зі свердловини лебідкою.
Перевагою забивного пробовідбірника є можливість промивання вибою свердловини і розмиву породи,що осипалася, перед випробуванням, що покращує якість проб грунту.
Рисунок 7 – Колонковий снаряд [12]
Колонковий снаряд відноситься до технічних засобів буріння свердловин і може бути застосований для відбору проб грунтів в м'яких нескельних відкладеннях.
Колонковий снаряд працює таким чином. Він спускається в свердловину на колоні бурильних труб, до якої приєднується перехідником 1. Під час контакту башмака 30 і вибою свердловини спуск закінчується.
Перед початком відбору проби для очищення вибою свердловини від породи, яка обсипалася, в бурильну колону подається рідина (рис. 7 а). Вона по каналам 12 і 8 надходить в розподільну камеру 2, далі по каналу 16, кільцевому зазору між кожухом 3 та корпусом 4, каналу 24 у верхньому ковадлі 6, потрапляє в порожнину корпусу 5 ударного вузла, звідки по кільцевому зазору між кільцевим клапаном 26 і сідлом 27 через отвори 28 у перехіднику 20 подається в кільцевий зазор між стінками свердловини і пробовідбірником.
Рисунок 8 - Колонковый снаряд в робочому положенні: а) під час установки снаряда на вибій свердловини; б) під час розмиву вибою при підйомі снаряда над вибоем; в) під час роботи гідродвигуна.
При підйомі снаряда над вибоєм (рис.7 б) кільцевий клапан 26 опускається в сідло 27, внаслідок чого зростає тиск над поршнем 25, який, стискаючи пружину, відкриває канал 22 для проходу рідини в колонкову трубу 23. Рідина через кернорвач 31 і башмак 30 надходить на вибій свердловини, розмиваючи породу, яка обсипалася.
Для відбору проби (рис.7 в) снаряд опускають на вибій свердловини. В колону бурильних труб скидається пусковий клапан 10 (кулька), який сідає в сідло 9 і перекриває осьовий канал 8 золотникової втулки 7. Тиск в розподільній камері 2 перехідника 1 підвищується, штифти 11 зрізаються, золотникова втулка 7 переміщується в крайнє нижнє положення. При цьому канал 16 перекривається бічною поверхнею золотникової втулки 7, а канал 13 відкривається. Таким чином, порожнина корпусу 5 відділяється від джерела тиску, і рідина надходить у вхідну порожнину 15 гідроударника. У процесі роботи гідроударника бойок 19 здійснює зворотно-поступальний рух, завдаючи удари по ковадлу 21 і верхньому ковадлу 6, а рідина з випускної порожнини 18 гідроударника виходить у свердловину через канал 17.
Рисунок 9 – Робота колонкового снаряду під час відбору проби
Під дією ударів по ковадлу 21 колонкова труба 23 заглиблюється в грунт, що надходить у її порожнину, віджимаючи в сторони пелюстки кернорвача 31. Рідина з порожнини колонкової труби 23 витісняється в свердловину через зворотний клапан 29. Під час удару вгору по верхньому ковадлу колонкова труба не сприймає ударних навантажень. Тому навіть при підйомі гідроударника над вибоєм колонкова труба не втрачає контакту з вибоєм, що позитивно впливає на якість керна. За рахунок того, що удари вниз сприймає тільки колонкова труба з ковадлом, а не весь колонковий снаряд, також підвищується поглиблення за один удар і як наслідок - механічна швидкість буріння.
Після закінчення рейсу подачу рідини в колонковий снаряд припиняють. Бурильну колону піднімають, витягуючи колонкову трубу 23 з башмаком 30. При цьому кернорвач 31 утримує в колонкової трубі 23 відібрану пробу.
Використання запропонованого колонкового снаряда дозволяє досягти підвищення якості проби грунту за рахунок постійного контакту колонкової труби з вибоєм свердловини. Удари вниз сприймає тільки колонкова труба з ковадлом, а не весь колонкові снаряд, тому також підвищується заглиблення за один удар і як наслідок - механічна швидкість буріння.
Магістерська робота присвячена актуальній проблемі, тому що в Україні необхідно виконання великих обсягів інженерно-геологічних досліджень, в тому числі – буріння геотехнічних свердловин глибиною до 100 метрів зі спеціалізованих бурових суден і самопідйомних бурових платформ, для дослідження шельфу Чорного та Азовського морів.
У процесі виконання магістерської роботи планується провести комп'ютерне моделювання поглиблення в нескельні грунту для різних компонувань забивних і гідроударних пробовідбірників і проаналізувати отримані дані. Так само обгрунтувати конструктивні параметри свердловинних пробовідбірників, виконати 3D-моделювання та робочі креслення розроблених пробовідбірників.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січня 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.