Исследование влияние силовых характеристик потока жидкости на выбор параметров пусковых узлов гидроударного бурового снаряда ПБC-127

Аннотация

А.В. Хохуля. В статье приведены результаты исследования, влияния силовых характеристик потока жидкости для выбора параметров пусковых узлов гидроударного бурового снаряда ПБС-127.

Объектом исследований являются пусковые узлы, относящиеся к основным структурным элементам погружного гидроударного бурового снаряда (ПБС), обеспечивающие реализацию схемы бесколонной проходки скважин глубиной до 50 м. В основу схемы положена идея (рис. 1) комбинированного разрушения донных осадков на интервале скважины в виде чередования размыва пород на заданном или ранее пройденном участке ствола (фаза 1) и бурения с отбором керна (фаза 2) [1]. Изменение характера разрушения осадков обеспечивается пусковыми узлами – верхним (ВПУ) и нижним (НПУ), срабатывание которых осуществляется за счет оперативного изменения расхода жидкости Q в процессе проходки интервала скважины.

В современном исполнении ПБС, использующегося в установках УМБ-130 и УМБ-130М, оба пусковых узла (рис. 2) унифицированы как по исполнению, так и по параметрам конструктивных элементов. Запорное устройство пусковых узлов размещается в корпусе 5 и выполнено в виде клапана-золотника 1, концентрично установленного на полом штоке 3 и опирающегося на пружину 4. Поверхностью, ограничивающей ход клапана вниз, является седло 2, выполненное в корпусе 5.

Фаза 1 реализуется при повышенном расходе жидкости Q₂. За счет силы набегающего потока жидкости клапан-золотник (К-З) перемещается вдоль штока, открывая распределительные окна «б». При контакте тарелки клапана-золотника и седла 2 закрывается доступ жидкости в рабочие камеры гидроударника. При этом золотниковая часть К-З открывает окна «б», направляя жидкость в камеру «а» НПУ. Через открытые окна «б» штока НПУ поток устремляется в полость керноприемной трубы и далее, через кернорватель-насадку – на забой скважины, обеспечивая размыв породы.

Рисунок 1 – Технологическая схема многорейсового бурения скважин: 1–запорное устройство (клапан-золотник); 2–седло; а–камера НПУ; б–окна штока ВПУ и НПУ

При необходимости отбора керна (фаза 2) расход жидкости снижается. Уменьшенная сила потока преодолевается пружиной 4, которая поднимает клапан-золотник ВПУ, открывая каналы доступа жидкости в камеры гидроударника. Одновременно золотниковая часть К-З перекрывает окна «б», прерывая поступление потока в камеру «а» НПУ. Клапан-золотник НПУ пружиной перемещается вверх с последующим закрытием окон «б» в своем штоке. В таком положении элементов пусковых узлов обеспечивается работа гидроударника с погружением колонкового набора на заданную глубину пробоотбора (фаза 2). Отработанная в механизме жидкость Q₁ проходит в камеру НПУ и, без смещения ее клапана поступает через зазор между трубами и далее, через боковые окна колонкового набора в скважину.

Если отмеченный процесс перемещений клапана-золотника пусковых узлов будет нарушен, то эффективное выполнение цели на выделенных фазах бурения окажется неосуществимым. Например, на фазе 1 при не соблюдении условия смещения запорного устройства НПУ будет исключен эффект гидромониторного разрушения осадков; на фазе 2, для случая, когда клапан-золотник НПУ останется в нижнем положении при открытых окнах «б», отбор керна окажется невозможным.

Рисунок 2 – Схема НПУ с клапанно- золотниковым распределительным узлом: 1–клапан-золотник; 2–седло; 3–распределительный шток; 4–пружина; 5–корпус; 6, 7–наружная и внутренняя трубы колонкового набора;8–регулировочные кольца; а–камера НПУ; б–окна штока НПУ; ГУ–гидроударник

Таким образом, задача обеспечения высокой надежности работы пусковых узлов имеет весьма важную практическую направленность, обуславливающую саму возможность реализации многорейсового бурения скважин снарядами ПБС. Решение задачи предполагает необходимость обоснованного выбора параметров конструктивных элементов пусковых узлов, обеспечивающих с одной стороны устойчивый диапазон блокировки распределительных клапанов ВПУ и НПУ при расходе жидкости Q₁, являющимся номинальным для работы гидроударника в процессе отбора керна (фаза 2). С другой стороны, при заданном (увеличенном) уровне параметров потока Q₂, К-З пусковых узлов должны практически одновременно переместиться в рабочее состояние, соответствующее перекрытию доступа жидкости в цилиндр гидроударника и открытию каналов в керноприемную трубу при гидроразмыве породы (фаза 1). Общим требованием для НПУ и ВПУ, является соблюдение условия надежного возвращения К-З устройств в исходное положение при переходе от фазы размыва к фазе отбора керна за счет снижения подачи жидкости в гидросистему до номинальной величины, соответствующей условию запуска и эффективной работы гидроударника.

Сложность выбора параметров как НПУ, так ВПУ для обеспечения синхронности их срабатывания во многом обусловлена наличием взаимосвязи рабочих положений запорного устройства с динамическими процессами в гидросистеме. В общем случае в камерах пусковых узлов имеют место известные гидродинамические явления, обусловленные взаимодействием жидкости и клапана-золотника, поверхность которого перпендикулярна потоку. Причем, как показали проведенные эксперименты, несмотря на увеличение давления в гидросистеме, при работающем гидроударнике, качественная закономерность и количественные показатели силы на поверхности смещающегося К-З практически не изменяются. Полученный вывод позволил принять допущение о возможности определения силы набегающего потока, как главной составляющей при выборе силовых характеристик пусковых узлов на этапе инженерного проектирования.

В общем случае, для пусковых узлов, применяемых в составе ПБС-127, с известными геометрическими размерами конструктивных элементов запорного устройства и каналов подвода жидкости, рабочие положения могут быть обеспечены за счет изменения соотношений силовых характеристик возвратной пружины. При этом задача решается путем сопоставления силы давления, действующей со стороны потока на К-З, в принятом диапазоне расхода жидкости Q_i и силы деформации пружины.

Список использованной литературы

1. Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Каракозов А.А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отд.), 2007. – 270 с.
2. Калиниченко О.И., Хохуля А.В. Основные проблемы и пути совершенствования техники и технологии многорейсового бурения скважин на морских акваториях. - Науковий вісник.