Моделирование течения жидкости в гидроударном буровом снаряде установок серии УМБ-130 при бескерновом бурении скважин

Аннотация

Каракозов А. А., Парфенюк С. Н. Рассмотрены вопросы определения утечек жидкости через насосный блок гидроударных снарядов установок серии УМБ-130 при бескерновом бурении подводных скважин. Приведены результаты моделирования течения жидкости в снаряде и определения потерь давления для различных конструкций насосных блоков.

Многорейсовое бурение скважин гидроударными снарядами при эксплуатации установок УМБ-130 и УМБ-130М подразумевает чередование бескернового и колонкового способов [1] . При этом бескерновое бурение может осуществляться либо за счёт гидравлического разрушения забоя скважины, либо за счёт его комбинирования с механическим воздействием на забой. При реализации комбинированного способа разрушения породы возможно два варианта. В первом случае снаряд сбра- сывается на забой, внедряется в породу, а затем поднимается над забоем, и порода, разрушаясь, вымы- вается из снаряда. Таким образом реализуется разновидность так называемого «клюющего» бурения. Во втором случае [2] отличие заключается в том, что снаряд предварительно внедряется в породу за счёт работы гидроударника, а не за счёт его сбрасывания на забой. Потом порода также вымывается из полости керноприёмной трубы. И если для чисто гидравлического способа бурения технология научно обоснована [3], то для более эффективных комбинированных способов она до сих пор подбиралась опытным путём и поэтому требует разработки метода её обоснования.

Рисунок 1 – Технологическая схема многорейсового бурения скважин установкой УМБ-130М.

При эксплуатации установок серии УМБ-130 используется технологическая схема, приведенная на рис. 1, реализующая поинтервальное бурение скважин различными способами. На фазе 1 отбирается керн из верхнего интервала, на фазе 2 размываются обрушившиеся породы верхнего интервала, а на фазе 3 отбирается керн из нижележащего интервала. Затем фазы 2 и 3 повторяются до тех пор, пока скважина не достигнет проектной глубины.

Особенностью конструкции гидроударных буровых снарядов, использующихся в составе установок, является наличие насосного блока для создания обратной промывки в полости керноприёмной трубы при отборе керна. Однако при бескерновом бурении, когда поток жидкости подаётся на забой через керноприёмную трубу, часть жидкости будет сбрасываться в скважину через насосный блок, минуя забой. С одной стороны, это снижает эффективность размыва породы на забое, а с другой стороны, утечки жидкости через насосный блок необходимы для обеспечения внедрения снаряда в грунт при комбинированном способе разрушения забоя. Поэтому для обоснования технологии бурения необходимо знать распределение потоков жидкости в буровом снаряде, которое определяется его конструкцией и, в частности, конструктивной схемой насосного блока.

Рисунок 2 – Конструктивные схемы насосных блоков гидроударных буровых снарядов установок серии УМБ-130: 1 – плунжер, 2 – нижняя наковальня, 3 – насосные клапана (нагнетательный и всасывающий), 4 – втулка-седло, 5, 6 – наружная и внутренняя колонковые трубы (диаметром 127 и 108 мм); а – каналы подачи жидкости, б – рабочая полость насосного блока, в, г, д – осевой, выхлопной и всасывающий каналы насосного блока.

Однако решение этой задачи является достаточно сложным, поскольку потери давления в насосном блоке точно рассчитать нельзя из-за взаимного влияния гидравлических сопротивлений. Следовательно, целесообразно смоделировать течение жидкости в буровом снаряде для имеющихся конструкций насосного блока и использовать полученные результаты при обосновании технологии бурения.

Целью настоящей статьи является оценка параметров потоков жидкости в гидроударном буровом снаряде установок серии УМБ-130, результаты которой необходимы для обоснования технологии бескернового бурения при комбинированном способе разрушения забоя.

В настоящее время в составе гидроударных буровых снарядов используются две разновидности насосных блоков, показанные на рис. 2 (компоновки снарядов соответствуют бурению верхнего интервала разреза без размыва пород). Конструкция насосного блока (рис. 2а) была разработана раньше и использовалась более продолжительное время в практике буровых работ, чем конструкция, показанная на рис. 2б.

Принцип работы насосного блока заключается в следующем. При движении плунжера 1 вверх жидкость попадает в рабочую полость б через всасывающий канал д, всасывающий насосный клапан и канал в. При ходе плунжера 1 вниз жидкость вытесняется из полости б в скважину через канал в, нагнетательный насосный клапан и выхлопной канал г.

Эти же насосные блоки применяются и в компоновке снаряда при бескерновом бурении, когда они комбинируются с нижним распределительным узлом [1]. Однако в этом случае часть жидкости, подаваемой во внутреннюю колонковую трубу для размыва забоя, будет уходить в скважину непосредственно через насосный блок, поднимая насосные клапана 3 и вытекая через выхлопные каналы г.

Для каждой конструкции насосного блока было проведено моделирование течения жидкости в нижней части гидроударного бурового снаряда при различных значениях подач жидкости и зазоров между башмаком и забоем, а также при разных положениях насосных клапанов. Максимальная подача жидкости принята равной 600 л/мин, что соответствует реальным условиям эксплуатации буровых снарядов установок УМБ-130 и УМБ-130М. Кроме того, при моделировании изменялись параметры кернорвателя, определяющие величину его гидравлического сопротивления течению жидкости.

Моделирование проводилось методом конечных элементов.

Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы.

• Перепад давления в насосном блоке зависит от положения клапанов после их открытия и может существенно отличаться для одной и той же конструкции. Поэтому в реальных конструкциях необходимо задать ограничение хода насосных клапанов при их открытии, а для обеспечения внедрения снаряда в грунт – предусмотреть защиту от полной блокировки выхлопных каналов этими клапанами и их пружинами при перетекании жидкости через насосный блок.
• При прочих равных условиях более высокие значения перепада давления в насосном блоке при постановке снаряда на забой соответствуют конструктивной схеме по рис. 2б. Однако даже при расходе жидкости 600 л/мин это превышение составляет не более 14%.
• Для расхода жидкости 600 л/мин при уменьшении зазора между торцом бурового снаряда и забоем от 100 до 3 мм усилие подпора жидкости повышается не более чем на 25%. При дальнейшем смыкании зазора усилие подпора возрастает в 15-17 раз.
• При наличии зазора между торцом бурового снаряда и забоем расход жидкости через насосный блок (в процентном отношении от общей подачи) незначительно снижается при увеличении общей подачи от 360 до 450 л/мин и уменьшается примерно в 1,5 раза при росте общей подачи от 450 до 600 л/мин.
• При постановке бурового снаряда на забой усилие подпора жидкости значительно (не менее чем в три раза) превышает вес бурового снаряда даже при относительно небольшой подаче жидкости 360 л/мин, что обуславливает существенное торможение снаряда при внедрении в породу. При подаче жидкости 600 л/мин усилие подпора превышает вес бурового снаряда не менее чем в семь раз.
• Сравнение расчётных и фактических утечек жидкости через насосные блоки показывает, что их разница находится в пределах 9-22%, причём большие расхождения наблюдаются при использовании в насосном блоке пружин, которые не учитывались при моделировании. Это позволяет сделать вывод о возможности использования результатов моделирования при обосновании технологии бескернового бурения.
• Уменьшение усилия подпора жидкости и торможения снаряда при внедрении в породу может быть достигнуто за счёт снижения подачи жидкости в снаряд при его взаимодействии с забоем. Это позволит повысить эффективность бескернового бурения при эксплуатации установок типа УМБ-130.

Список использованной литературы

1. Калиниченко О. И. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе / О. И. Калиниченко, П. В. Зыбинский, А. А. Каракозов. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 270 с.
2. Патент України на винахід № 87222 МПК (2009) Е25/00 Опубл. 25.06.2009, заявка 200713149 від 26.11.2007 / А. А. Каракозов, О. І. Калініченко, П. В. Зибінський.
3. Юшков И. А. Обоснование технологических параметров многорейсового поинтервального бурения подводных скважин погружными установками : дис. канд. техн. наук : 05.15.10 / Юшков Иван Александрович – Донецк: ДонНТУ, 2004. – 194 c.