Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проблема питьевой воды в мире приобретает все большую остроту. Это связано с тем, что практически все пресные источники стали в той или иной степени загрязненными продуктами жизнедеятельности человека. Эта проблема особенно актуальна при организации хозяйственно-питьевого во-доснабжения. Еще никогда проблема питьевой воды не стояла перед человечеством так остро, как в последние годы. В ознаменование официального признания значения водных проблем Генеральная Ассамблея ООН провозгласила период 2005–2015 годов международным десятилетием Вода для жизни.

Одним из основных источников водоснабжения являются гидрогеологические скважины.

В буровых скважинах движение воды осуществляют в прямом (из скважины) направлении. На весь период эксплуатации скважины стенки ее в пределах продуктивного пласта должны быть устойчивыми. Это достигается установкой в скважине фильтра, назначение которого состоит в предохранении стенок скважин от обрушения и в очистке воды, поступающей на дневную поверхность от твердых примесей.

В зависимости от крупности частиц горной породы продуктивного пласта, конструкции фильтров могут применяться от самых простых–трубчатых с перфорацией или каркасно-стержневых, до самых сложных–гравийных.

Среди выделенных фильтров, особенно когда продуктивный пласт представлен песками различного гранулометрического состава, рекомендуется применение гравийных фильтров. Такие фильтры успешно предотвращают пескование. Более низкие гидравлические сопротивления позволяют получить более высокие, чем у других фильтров, дебиты. Скорость движения воды при прохождении через гравийную смесь плавно возрастает по мере продвижения к каркасу. Это обстоятельство является причиной более медленной кольматации фильтра за счет отложения солей, гидроксида железа, и др. Поэтому фильтры с гравийной обсыпкой даже в неблагоприятных гидрохимических условиях работают длительное время без заметного снижения удельных дебитов [1], [2], [6].

В настоящее время фильтры с гравийной обсыпкой имеют ограниченное применение. Для водоснабжения их используется 5–8%, а для гидрогеологических исследований–всего 3 – 5% [1], [4]. Это обстоятельство объясняется рядом причин, среди которых можно выделить недостаточную эффективность техники и технологии сооружения таких фильтров, что в ряде случаев обусловливается сложностями, возникающими при формировании полостей в прифильтровой зоне скважины для размещения в ней достаточного объема сортированного гравия. Поэтому дальнейшее развитие и совершенствование техники и технологии расширения водоприемного интервала гидрогеологических скважин в местах сооружения гравийного фильтра является важной задачей.

2. Аналитический обзор технических средств расширения водоприемного интервала гидрогеологических скважин.

Как правило, толщина гравийной обсыпки принимается не менее 50–100 мм. Это условие практически всегда предполагает выполнение работ по расширению скважины в зоне водоносного пласта с достижением выделенного размера диаметра водоприемного интервала скважины.

С технической точки зрения образование каверны заданного профиля для заполнения ее проницаемым гравием обеспечивается по двум принципиальным схемам [6]: 1 – забуривание расширителя у нижней границы интервала расширения с последующим расширением скважины от нижней к верхней границе пласта (рис.1, а, б); 2 – забуривание расширителя у верхней границы интервала расширения с последующим расширением скважины от верхней к нижней границе пласта (рис.1, в,г).

Рисунок 1 – Схемы расширения скважины в интервале установки гравийного фильтра

Скважинные расширители, используемые для создания каверн в интервале продуктивного пласта, могут иметь выдвижные породоразрушающие органы (раздвижные расширители), либо не иметь их (нераздвижные расширители).

Нераздвижные расширители имеют постоянные размеры в транспортном и рабочем положении, обеспечивающие беспрепятственный спуск (подъем) инструмента в скважине в заданном интервале выше продуктивного пласта. При работе нераздвижных расширителей забой развивается вдоль продуктивного интервала и в глубь пласта от стенок скважины.

Раздвижные расширители имеют разные размеры в транспортном и рабочем положении. В транспортном положении диаметр корпуса обеспечивает беспрепятственный спуск инструмента в заданный интервал скважины с учетом диаметров обсадных труб и бурения пилот-ствола. После спуска инструмента в заданный интервал из корпуса выдвигаются породоразрушающие органы, которые после окончания расширения убираются обратно. При работе раздвижных расширителей после окончания забуривания кольцевой забой развивается вдоль продуктивного пласта от нижней к верхней границе или наоборот.

По характеру приведения из транспортного в рабочее положение, раздвижные расширители делят на механические, гидравлические и инерционные.

Гидравлические раздвижные расширители приводятся в рабочее положение давлением, развиваемым в нагнетательной магистрали насоса и корпусе инструмента при промывке. Породоразрушающие органы закрываются, как правило, за счет возвратного усилия пружин при прекращении промывки.

Инерционные раздвижные расширители приводятся в рабочее положение центробежными силами, действующими на породоразрушающие органы при вращении инструмента. Закрытие лопастей происходит под действием их веса.

В гидромониторных расширителях для разрушения породы используется энергия струи промывочной жидкости, истекающей из насадок. Такие расширители приводятся в рабочее состояние после спуска в заданный интервал при промывке с заданным расходом и создания расчетного перепада давления на насадках. После спуска расширителя в скважину в заданный интервал начинают осуществлять подачу промывочной жидкости либо одновременно с вращением, либо без вращения инструмента. Поток жидкости, истекающий из насадок гидромониторного расширителя, попадает на забой и разрушает породу. Разрушение породы под воздействием гидромониторной струи происходит из-за создания на забое осевого давления, приводящего к разрушению структурных связей и размыву породы (рис.2, а).

Рисунок 2 – Гидромониторные расширители: а – схема гидравлического расширителя: 1 – зазор; 2 – бурильные трубы; 4 – расширитель; б – схема гидравлического турбинного расширителя: 1 – муфта с валом; 2 – корпус турбинки; 3 – сопла; 4 – манжеты самоуплотняющиеся; 5 – фиксирующая шайба; 6 – тормозные пластинки

Гидромониторных эффект разрушения пород использован также в гидравлических турбинных расширителях (рис. 2, б). Преимущество этого расширителя перед гидромониторным заключается в том, что разбуривание каверны в нужном интервале ствола скважины можно производить без вращения корпуса расширителя через бурильные трубы. За счет реактивных сил через направленные сопла 3 высоконапорная струя промывочной жидкости разрушает стенки скважины. При этом корпус турбинки 2 вращается на муфте с валом 7, через которую подается промывочная жидкость в насадки 3. Корпус турбинки удерживается на вале с помощью фиксирующей шайбы 5. Для уменьшения оборотов турбины установлены тормозные пластины 6. Эти расширители нашли применение для расширения ствола скважин в слабосцементированных или неустойчивых песках под гравийную обсыпку, расширение может производиться одновременно со спуском фильтра. Расширители также применяются при освоении скважин для очистки фильтров от глинистых частиц и разрушения глинистой корки на стенках скважин.

Несмотря на полученную результативность выделенных схем гидромониторного способа получения каверн, использование заложенной кинематики работы расширителя с прямой схемой промывки скважины не исключает неконтролируемый размыв ее стенок выше формирующейся прифильтровой полости, особенно, если стенки сложены легкоразмываемыми породами [2].

По оценкам ряда исследователей влияние выделенного недостатка гидромониторных расширителях может быть существенно снижено за счет технического обеспечения выноса шлама путем использования обратной схемы циркуляции жидкости в скважине. Вместе с тем, практических предложений по реализации, конструктивному исполнению и обоснованию параметров такого типа расширителей до настоящего времени недостаточно.

Идея магистерской работы, заключается в использовании гидромониторного эффекта разрушения агрегатного состояния песчано-глинистых пород в разбуриваемой каверне с одновременным выносом шлама и кольматата за счет реализации схемы обратной циркуляции жидкости в скважине.

Предметом исследования магистерской работы является технология и техника оборудования водозаборной части гидрогеологической скважины гравийными фильтрами.

Объект исследования – технические средства и технология гидромониторного расширения водоприемного интервала гидрогеологических скважин в местах сооружения гравийного фильтра.

2. Цель и задачи исследований

Цель работы – повышение эффективности и надежности образования выработки для оборудования водоприемной части скважины гравийными фильтрами за счет использования универсального расширителя, реализующего гидромониторный эффект разрушения боковых пород разбуриваемой каверны и вынос шлама по схеме обратной циркуляции жидкости.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований :

  1. Обосновать схему, выполнить расчет и разработать конструкцию уни-версального расширителя.
  2. Выявить основные закономерности влияния конструктивных параметров образующих элементов расширителя, обеспечивающих эффективное разру-шение боковых пород и их вынос из разбуриваемой каверны.

В основу решения поставленных задач положены выводы, полученные в результате проведенного аналитического обзора принципиальных схем и конструкций расширителей, формирующих полости для размещения сортированного гравия при сооружении гравийных фильтров. Отмечено, что для наиболее сложных условий, когда продуктивный пласт представлен песками различного гранулометрического состава, особенно при наличии прослоек глинистых пород, наиболее эффективными являются разработки, выполненные на основе использования гидромониторного эффекта разрушения боковых пород в сочетании обратной схемой циркуляции жидкости при выносе песчано-глинистых эмульсий на поверхность.

3. Схема и техническая реализация нового гидромониторного расширителя

3.1. Принципиальная схема гидравлического расширителя

Принципиальная схема разработанного расширителя представлена на рис. 3. Расширитель опускается на забой на бурильной колонне 1, выполняющих роль водоподъемной колонны состоящей из комплекта бурильных труб ТБС-70Р комплекса КССК-76, в которых концентрично размещаются возрухоподающие трубы 2 (ЛБТН-24), обеспечивающие работу эрлифтного насоса.

Рисунок 3 – Принципиальная схема гидромониторного расширителя: а – исходное состояние элементов расширителя в скважине; б – процесс размыва каверны; в – процесс очистки скважины.

Непосредственно расширитель состоит из двух гидравлически и конструктивно взаимосвязанных узлов: узла гидромониторного разрушения пород и узла очистки скважины.

В корпусе 4 размещаются насадки 5, относящиеся к узлу гидромониторного разрушения пород и непроходной опорный шток 7, относящийся к узлу очистки, соединяющийся с колонной воздухоподающих труб 2 и снабженный обратным клапаном 3.

В корпусе выполнены камеры периодически перекрывающиеся разделительными клапанами 6. При этом закрытое положение клапанов соответствует режиму размыва пород (рис. 3, б) при подаче жидкости к расширителю по трубам 1. На этапе эрлифтной очистки скважины, при подаче воздуха по трубам 2, разделительные клапана открываются, соединяя полость скважины (через промывочные окна долота) с камерами расширителя и полстью водоподъемных труб (рис. 3, в).

Воздухоподающие трубы в нижней части имеют смеситель, в виде системы отверстий, выполненных над корпусом с возможностью выхода воздуха в водоподъемные трубы.

3.2. Элементы буровой установки, схема компоновки бурильной колонны и технология спуска расширителя в скважину

Структура бурильной колонны приведена на рис. 5. Условием эксплуатации расширителя в скважине является наличие в составе буровой установки компрессора, а также дополнительное изменение конструкции веду-щей трубы и сальник-вертлюга, разработанные схематические чертежи которых приведены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схематические чертежи ведущей трубы (а) и сальник-вертлюга (б)

Последовательность выполнения операций по спуску расширителя в скважину:

  • подготовленный к работе расширитель размещается на столе ротора;
  • первая свеча бурильных труб ТБС–70Р свинчивается с расширителем и спускается на канате талевой системы буровой установки с посадкой на стол ротора;
  • наращивание колонны бурильных труб ТБС–70Р до заданной глубины скважины с посадкой колонны на стол;
  • внутрь колонны выполняется спуск первой свечи бурильных труб ЛБТН–24, к нижней части которой предварительно присоединен непроходной шток;
  • последовательный спуск свечей ЛБТН–24 до посадки непроходного штока в посадочное седло, предусмотренное в нижней части корпуса расширителя;
  • верхняя часть колонны труб ЛБТН–24 снабжается втулкой с уплотни-тельными элементами;
  • сальник вертлюг, с присоединенной к нему ведущей трубой, извлекается из шурфа и присоединяется через переходник в колонне труб ТБС–70Р.

    • Рисунок 5 – Схема компоновки бурильной колонны

    3.3. Технология размыва полости для установки гравийного фильтра

    До конечной глубины скважина бурится по обычной, общепринятой технологии. Затем буровой снаряд извлекается и в скважину спускается расширитель.

    После спуска расширителя в скважину по технологии, рассмотренной в разделе 3.2, включается буровой насос. Из насадок промывочная жидкость выходит под давлением. Обратный клапан не позволяет воде заполнять воздухоподающие трубы. Энергией струи при вращении корпуса расширителя разрушается горная порода, вырабатывая каверну в нужном интервале. Забуривание начинается у нижней границы интервала расширения с последующим расширением скважины от нижней к верхней границе водоносного пласта.

    Расширение скважины выполняется дискретно. После разбуривания ин-тервала скважины длиной 0,2–0,5 м буровой снаряд останавливают.

    После завершения этапа расширения интервала скважины буровой насос выключается. Компрессором в воздухоподающие трубы подается сжатый воздух. Обратный клапан давлением воздуха открывается и сжатый воздух подается в смеситель эрлифта. Проходя через систему отверстий в смесителе воздух проходит внутрь колонны бурильных труб ТБС-70Р, где смешивается с водой, заполняющей скважину, и образует пульпу. Давление в смесителе падает, разделительные клапаны открывается, и выбуренная порода засасывается в колонну бурильных труб и выдается в отстойник.

    После того, как из шланга, закрепленного на патрубке сальника, перестает поступать выбуренная порода, подачу воздуха прекращают и переходят к разбуриванию следующего интервала скважины. После его разбуривания повторяют операцию очистки скважины эрлифтным насосом. При этом колонна бурильных труб буровым станком вращается на минимальной скорости и медленно перемещается вниз. Долото перемешивает породу на забое, дополнительно измельчая ее.

    Рисунок 6 – Технология размыва полости для установки гравийного фильтра
    (анимация: 23 кадра, 10 циклов повторения, 223 килобайт)

    4. Обоснование параметров структурных элементов расширителя

    4.1. Определение параметров эрлифта

    В общем случае расчет параметров эрлифтной установки сведен к определению закономерностей формирования характеристики эрлифта для обоснованного выбора эксплуатационных параметров эрлифта (глубины погружения смесителя, расхода и давления воздуха, при заложенных размерах воздухоподводящих и водоподъемных труб) для обеспечения эффективной очистки скважины при различных значениях глубина статического и динамического уровней воды в скважине, а также физико-механических свойств размываемых пород [5].

    Расчетная схема для определения параметров установки показана на рис. 5. Исходные данные для расчета: глубина скважины; высота уровня излива воды над поверхностью земли; глубина статического уровня от уровня излива воды hст; глубина динамического уровня воды от уровня излива hдин; необходимый расход воды для подъема водо-воздушной смеси.

    4.2. Определение параметров гидромониторного разрушения пород

    Учитывая, что разрушение структурных связей породы происходит в том случае, если создаваемое струей давление на забой превышает критическое для данного типа грунта, в качестве параметров гидромониторного разрушения пород выделены [7]:

  • напряжения, создаваемые в породе струей жидкости;
  • скорости истечения струи из насадки;
  • диаметр разрушаемой поверхности породы;
  • рационального диаметра сопла насадки;
  • рациональное расстояние от насадки до разрушаемой породы;

    Выводы

    1. В магистерской работе на основании выполненного анализа и обобщения продуктивности техники и технологии сооружения гравийных фильтров, отмечено, что ограниченность применения таких фильтров при освоении гидрогеологических скважин во многом обусловливается сложностями, возникающими при формировании полостей в прифильтровой зоне скважины, служащей для размещения в ней достаточного объема сортированного гравия, и недостаточной эффективностью очистки скважины от разбуренной породы. Поэтому дальнейшее развитие и совершенствование техники и технологии расширения водоприемного интервала гидрогеологических скважин в местах сооружения гравийного фильтра является важной задачей.

    2. Ограниченность технического уровня широкого класса созданных расширителей, с точки зрения их применения для сооружения гравийных фильтров, явилась основной предпосылкой для постановки задачи разработки нового расширителя для формирования каверн в границах нужного интервала скважины с повышенными показателями качества очистки скважины, и адаптированного, прежде всего, для условий, когда разрез скважины сложен песками и неустойчивыми песчано-глинистыми отложениями.

    3. Обоснованы параметры и разработан новый гидромониторный расширитель, выполненный на основе технического объединения узлов, реализующих гидромониторное разрушение боковых пород расширяемой полости, и обратную схему циркуляции жидкости в скважине при выносе песчано-глинистых эмульсий на поверхность. При этом сменные гидромониторные насадки могут использоваться в различных по твердости породах при неизменной подаче жидкости силовым наземным насосом.

    4. Расчет эрлифта при использовании выбранной колонны с концентричным расположением водоподъемных труб ТБС-70Р и воздухоподающих труб, выполненных на базе ЛБТН-24 для извлечения разрушенной породы из скважины показал, что при глубине динамического уровня до 300 м и глубине скважины до 600 - 700 м можно использовать широко распространенные компрессоры, создающие давление 1 – 1,2 МПа.

    5. Повышенные показатели применения разработанного устройства обусловливаются возможностью расширять скважину на различную длину при одновременном обеспечении надежности очистки скважины от выбуренной породы.

    Список источников

    1. Арестов Б. В. Усовершенствование технологии сооружения гравийно–намывных фильтров способом обратной промывки / Б. В. Арестов, С. Н. Бузинов, А. Е. Корнилов, М. А. Цайгер. // Техника и технология сооружения газовых и газоконденсатных скважин.–М.: ВНИИгаз, 1984. С. 104 – 107.
    2. Башкатов А. Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин /А. Д. Башкатов.–М.: Недра, 2003. – 554 с.
    3. Башкатов Д. Н. Бурение скважин на воду / Д. Н. Башкатов,В. Л. Роговой.–М.: Колос, 1976. – 206 с.
    4. Гаврилко В.М. Фильтры буровых скважин / В. М. Гаврилко, В. С. Алексеев.–М.: Недра, 1985. – 334 с.
    5. Ганджумян Р. А. Расчеты в бурении / Р. А. Ганджумян, А. Г Калинин, Н. И. Сердюк.–М.: Недра, 2007.–660 с.
    6. Дубровский В. В. Справочник по бурению и оборудованию скважин на воду / В. В. Дубровский, М. М. Керченский, В. И. Плохов, Я. А. Сиднев.–М.: Недра, 1964.–516 с.
    7. Никонов Г. П. Разрушение горных пород струями воды высокого давления / Г. П. Никонов, И. А. Кузьмич, Ю. А. Гольдин.–М.: Недра, 1986.