Автор:А.А. Каракозов, С.Н. Парфенюк, А.О. Назарян
Источник: Каракозов, А.А. Реализация способа контроля поглощения промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин / А. А. Каракозов, С. Н. Парфенюк, А. О. Назарян // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент и технология его изготовления. Сб. научн. Трудов.- Киев: ИСМ им. Бакуля, 2011. - Вып.14. – С. 158-163.
В статье приведены результаты работы по созданию сигнализатора для контроля поглощения промывочной жидкости, разработанного для условий бурения геологоразведочных скважин на полях угольных шахт в Донбассе.
Контроль процесса промывки при бурении геологоразведочных скважин в условиях Донбасса имеет большое значение, особенно при работах на полях угольных шахт, когда пересекаются зон поглощения промывочной жидкости. При этом интенсивность промывки в скважине снижается, а иногда выход промывочной жидкости на поверхность вообще прекращается. Поскольку технические средства контроля потока жидкости в скважине на установках геологоразведочного бурения практически не применяются, то несвоевременное обнаружение поглощений может приводить к зашламованию скважины и, как следствие, к прихватам бурового инструмента. Из-за отсутствия технической базы своевременного обнаружения поглощений в геологоразведочных скважинах приходится полагаться только на бдительность и опыт рабочего персонала, что повышает вероятность аварий.
Известно несколько конструкций сигнализаторов падения уровня промывочной жидкости в скважине и единичные случаи их использования [1–3], однако эти устройства не могут оповещать персонал о наличии частичного поглощения. Кроме того, технология их применения требует постоянной адаптации, поскольку методика расчёта позволяет получить только приблизительные рекомендации по месту установки сигнализаторов в буровом снаряде из-за сложности учёта гидравлических сопротивлений при циркуляции жидкости в скважине. В связи с этим задача по разработке технических средств контроля
В связи с этим задача по разработке технических средств контроля поглощения промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин является актуальной и имеет важное практическое значение.
Сигнализатор состоит из корпуса , в котором установлен шток с осевым каналом, уступом, расположенным на его внешней поверхности ниже корпуса, и переходником . В осевом канале установлена калиброванная втулка , а в штоке выполнены два ряда радиальных отверстий, расположенных, соответственно, выше и ниже её. В кольцевом зазоре между корпусом и штоком установлен хвостовик клапана. Над хвостовиком расположена пружина, прижимающая клапан к уступу. В хвостовике выполнены два ряда радиальных отверстий и, расположенных, соответственно, ниже радиальных отверстий 7 и 8. На внутренней поверхности корпуса выполнена кольцевая проточка. Кольцевой зазор между корпусом и штоком соединён со скважиной радиальными каналами, а на внешней поверхности корпуса и переходника установлены центраторы.
Сигнализатор работает следующим 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 находится в верхнем положении. Поэтому промывочная жидкость перетекает через сигнализатор в обход калиброванной втулки через кольцевую проточку, поскольку радиальные отверстия становятся напротив радиальных отверстий и . При этом центраторы защищают клапан от контакта со стенкой 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 и стенкой обсадной трубы также падает, и клапан под действием пружины перемещается в нижнее положение и опирается на уступ. При этом хвостовик перекрывает радиальные отверстия в штоке. В этот момент промывочная жидкость начинает протекать только через калиброванную втулку. 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 на клапан перестает действовать усилие со стороны промывочной жидкости 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 проще определить его путем численного моделирования 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.
Кроме того, наиболее нагруженные детали устройства дополнительно проверялись на прочность при помощи моделирования методом конечных элементов.
В качестве примера результатов моделирования приведём данные для сигнализаторов, предназначенных для работы в скважинах, закреплённых обсадными трубами диаметром 89 мм и 219 мм.
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. Вип. 11. – Донецьк: ДонНТУ, 2000. – С. 28–29.
2. Деклараційний патент України № 63251А МПК7 Е21В21/10. Сигнализатор падіння рівня рідини в свердловині / Каракозов А. А., Филимоненко М. Т., Кущ О. О., Козырев О. М., Паршков О.В., Угнівенко В.В. – Опубл. 15.01. 04, Бюл. №1.
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. М., Роль А. В., Сайгайдак І.Д. Назарян А.О. – Опубл. 25.06. 10, Бюл. №13.