Анализ аварий при бурении структурно-поисковых и разведочных скважин на нефть и газ позволил специалистам выявить наиболее характерные виды прихватов и вероятные причины их возникновения. Около 26% прихватов возникает за счет перепада давления (I категория по классификации А.К.Самотоя), 32%-вследствие заклинивания инструмента (II категория) и 42% - по причине сужения ствола скважины в связи с осыпями, обвалами, сальникообразованиями, оседанием шлама и утяжелителя (III категория) /8/. Подобная картина наблюдается и в геологоразведочной отрасли, за исключением прихватов I категории, которые не так широко распространены, как при бурении скважин большого диаметра /8/.
Сопоставление данных по прихватам показывает наличие однотипных по причинам и тяжести аварий. Однако более высокая избирательность как методов их ликвидации, так и технических средств, особенно ударных, позволила зарубежным специалистам значительно сократить затраты времени и ресурсов на устранение прихватов. В отечественной практике УМЛП начали применяться в последние 25-30 лет, но их использование чаще носит эпизодический характер, особенно это характерно для геологоразведочной отрасли, где ударные механизмы вообще отсутствуют в перечне необходимых аварийных технических средств. В тоже время статистика показывает, что применение УМЛП при бурении нефтяных и газовых скважин весьма эффективно, особенно при ликвидации прихватов II категории. При этом вероятность извлечения прихваченного инструмента составляет 0.7 (на примере УЛП-190-1) /8/. Применение ясов различного принципа действия приводит к положительным результатам при устранении прихватов III категории. В этом случае наибольший эффект достигается при обработке аварийного инструмента ударными импульсами в совокупности с интенсивным расхаживанием инструмента или установкой жидкостных ванн /2,5/.
Для ликвидации прихватов, обусловленных действием перепада давления (I категория) успешно используются испытатели пластов, создающие депрессию в зоне аварии /8/. Поэтому правомерным является появление ряда конструкций УМЛП, оказывающих комплексное воздействие на прихваченный снаряд и сочетающих ударные нагрузки с одновременным снижением гидростатического давления в зоне аварии /4,7/.
Таким образом, конструктивные особенности и универсальный характер ударных механизмов, показывающих достаточную надежность при ликвидации большинства типов прихватов, свидетельствуют о перспективности данного класса машин, а опыт работы организаций, Миннефтепрома по конструированию УМЛП может стать отправным пунктом при создании эффективных устройств для скважин малого диаметра.

1.2. Ударные механизмы, реализующие энергию упругой деформации твердого тела.

Этот тип УМЛП, нашедший в настоящее время наиболее широкое применение в практике бурения скважин, отличается значительным многообразием конструктивных разработок.
Традиционно в качестве элемента, накапливающего энергию упругой деформации, использовалась бурильная колонна. Подобные ударные устройства способны передавать мощные динамические нагрузки на прихваченный снаряд. Но область применения таких механизмов ограничивается глубиной скважин (не менее 100 метров для бурильных труб диаметром до 50 мм и более 400-500 м при диаметре свыше 89 мм).
Для ликвидации прихватов в мелких скважинах могут быть рекомендованы УМЛП, в которых деформируемым элементом является пружина. Эти устройства немногочисленны и пока не нашли широкого применения.
К УМПЛ, реализующим энергию упругой деформации бурильной колонны относится большинство известных механических и гидравлических ясов.

Рисунок 1. - Устройство для ликвидации прихватов УЛП-190-1

Механические ясы отличаются более простой конструкцией, поэтому они наиболее распространены /2,3,4,8/. Из отечественных устройств этого типа известны УЛП-190-1, ВУК и РШ-73. Механизм УЛП-190-1 предназначен для ликвидации прихватов колонны труб при бурении нефтяных и газовых скважин /2,5,8/. Устройство (рисунок 1) состоит из корпуса 1 с зубьями 5 и штока 7 с уплотнительной манжетой 2,конусом 3, предохранительным кольцом 4 и зубьями 6. Шток 7 имеет сквозной канал для промывки и пропуска торпеды.
При ликвидации прихвата устройство спускается в скважину на бурильных трубах и соединяется с прихваченным инструментом. Затем колонну поворачивают не более чем на 4 оборота, в результате чего зубья 5 и 6 войдут в зацепление. Бурильные трубы натягивают или разгружают (в зависимости от выбранного направления ударов). В результате приложения силы зубья 5 и 6 выходят из зацепления, и корпус 1 наносит удар по штоку 7. Далее цикл работы можно повторить. Максимально рекомендуемое число ударов - 60-70. Если после этого освобождения колонны не происходит, то работы следует прекратить и перейти к другому способу устранения прихвата.
Обычно УЛП-190-1 располагают непосредственно над прихваченной частью труб. В случае необходимости создания мощных динамических импульсов в направлении забоя скважины, например при ликвидации заклинивания бурильных труб в желобной выработке, устройство располагают на определенном расстоянии от верхней границы прихвата (400-500 м) и используют в режиме возбуждения в колонне упругих колебании.
Основным недостатком механизма, как показал опыт применения, является быстрый износ поверхности зубьев, что приводит к значительному ослаблению силы ударов.
УЛП-190-1 с конца 70-х годов широко применяется при бурении нефтяных скважин. Общий экономический эффект от его внедрения уже к 1982 году превысил 1.5 млн. рублей, а на отдельных скважинах экономия составляла от 9.3 до 163.9 тыс.рублей.

Техническая характеристика УЛП-190-1

Возбудитель упругих колебаний ВУК, разработанный институтом механики МГУ, позволяет наносить удары по прихваченной колонне снизу вверх и воздействовать на область прихвата динамическими импульсами сверху вниз, вовлекая бурильную колонну в интенсивный колебательный процесс /2,5,8/.
В состав механизма (рисунок 2) входят корпус 5 с ограничительной втулкой 4 и нижним переходниками 9. В корпусе 5 размещен поршень с бойком 6, снабженный штоком 3. Последний через переходники 1 и 2 соединяется с колонной бурильных труб. К поршню снизу прикреплен разъединительный ниппель 7, а разъединительная муфта 8 установлена в переходнике 9, в котором также размещен регулировочный винт.

Рисунок 2. - Вобудитель упругих колебаний

Для ликвидации прихвата ВУК опускают в скважину и соединяют с прихваченным снарядом. Затем бурильную колонну натягивают с усилием, превышающим порог срабатывания устройства. При этом ниппель 7 и муфта 8 размыкаются, в результате чего прихваченная колонна начинает колебаться и освобождается. При волновом воздействии на прихваченную часть переходник 1 с манжетами воспринимает вес жидкости, находящейся над ним, что устраняет резкие перемещения бурильных труб и талевой системы и вызывает гидродинамический эффект.
Если аварийный инструмент не освободился, то БУК повторно заряжают, для чего опускают бурильную колонну. При этом шток 3 дойдет до упора ниппеля 7 в регулировочный винт. Затем бурильные трубы поворачивают с усилием, соответствующим жесткости разъединительного узла, и повторяют цикл работы.
При использовании устройства в качестве ударного яса его опускают без переходника 1 и работают так же, как и в предыдущем случае. В этом случае боек 6 наносит удары по втулке 4, связанной через корпус 5 с извлекаемыми трубами.

Техническая характеристика ВУК

Важное преимущество ВУК - широкий диапазон применения, т.е. наряду с устранением заклиниваний он используется и для ликвидации прихватов, вызванных действием перепада давления, обвалами, осыпями.
Практика применения этого механизма выявила также и его недостатки: невозможность регулирования ударной нагрузки в процессе работы и создания удара вниз, сложность изготовления, регулировки и обслуживания разъединительного узла устройства.
Ударный механизм РШ-73 создан Донецким политехническим институтом специально для работы в скважинах малого диаметра /5/. Раздвижная штанга может включаться в состав бурового снаряда и вводиться в действие сразу после возникновения аварии, а также спускаться к месту прихвата на бурильных трубах после отсоединения и извлечения свободной части инструмента на поверхность. В исходном положении механизм может воспринимать и передавать осевые усилия и крутящий момент. РШ-73 (рисунок 3) включает в себя верхний боек 1 с кулачками 2, передающими крутящий момент, на корпус 3, наковальню 4, шток 5 с нижним бойком , шарики 7, поршень 8, пружину 9, переходник 10 и сбрасываемый клапан 11. В корпусе выполнены дренажные отверстия 12, предназначенные для устранения противодавления на поршень 8 после нанесения удара.

Рисунок 3. - Ударный механизм РШ-73

Раздвижная штанга располагается над прихваченной частью снаряда или включается в состав последнего выше колонкового набора (УБТ).В первом случае механизм переходником 10 соединяется с прихваченной частью снаряда, а штоком 5 с бурильной колонной. Для ввода РШ-73 в действие необходимо по бурильным трубам сбросить клапан 11, перекрывающий проходное отверстие в поршне 8. Бурильная колонна растягивается, при этом шток 5 фиксируется шариками 7 в исходном положении. После включения бурового насоса поршень 8 под давлением жидкости переместится вниз, сжимая пружину 9. Шарики 7 выдавливаются из кольцевой проточки штока 5, освобождая последний. За счет накопленной энергии упругой деформации колонна труб перемещается вверх, нанося бойком 6 удар по наковальне 4. Через корпус 3 ударный импульс передается прихваченной части снаряда.
После этого насос отключается и бурильные трубы опускаются вниз. Если необходимо наносить удары в этом направлении, то колонну можно сбрасывать со скоростью свободно падающего тела, тогда боёк 1 нанесёт удар по наковальне 4 (так ликвидируются затяжки в желоба, сальники и пробки).
При опускании штока 5 его кольцевая проточка совместится с шариками 7, которые займут исходное положение благодаря поршню 6, возвращаемому назад, пружиной 9 после снижения давления жидкости в бурильных трубам. Удары могут многократно повторяться в различных направлениях до полного освобождения снаряда.
По сравнению с известными ударными устройствами раздвижная штанга ДПИ имеет следующие преимущества:

- надежность и долговечность "затвора";
- возможность регулирования ударной нагрузки при работе;
- простоту конструкции, позволяющую изготавливать их в мастерских партий и экспедиций;
- компактность, малую массу, удобство и безопасность эксплуатации;
- возможность включения в состав бурового снаряда, что повышает оперативность и результативность ликвидации аварий.
К недостаткам можно отнести отсутствие воздействия промы-вочного агента на забой в процессе ликвидации прихвата.
Раздвижная штанга ДПИ прошла успешные испытания в ряде геолого-разведочных организаций Донбасса (Димитровской ГРЭ ПО "Укруглегеология", Должанской, Коммунарской и Лисичанской ГРЭ ПГО "Ворошиловградгеология"), которые показали практическую целесообразность применения РШ-73 для ликвидации прихватов, а также прижогов инструмента. Однако отсутствие детальной теоретической и конструкторской проработки явилось препятствием для широкого внедрения РШ-73 в производство.

Техническая характеристика раздвижной штанги РШ-73

Гидравлические ясы, зарядка которых осуществляется при фиксации (торможении) бойка за счет перепада давления жидкости, перетекающей между полостями устройства, широко используются в практике бурения на нефть и газ и весьма полно освещены в литературных и патентных источниках /3,5/. Более надежными из этих УМЛП считаются ясы закрытого типа (ГУМ). Гидравлические ясы открытого типа (ЯГ-146,ЯГ-95), где поршневая камера заполняется промывочной жидкостью, менее эффективны из-за быстрого абразивного износа элементов устройства и возможности заклинивания поршня шламовым материалом, но имеют гораздо более простую конструкцию. Гидравлический ударный механизм ГУМ (рисунок 4) спроектированный ВНИИБТ, предназначен для ликвидации прихватов бурового инструмента путем нанесения ударов, направленных вверх или вниз (в зависимости от сборки механизма) /5/. ГУМ состоит из шпинделя 1, переходников 2 и 7, соединённых с цилиндром 3, имеющим две камеры разного сечения, бойка 4 с поршнем 5 и штоком 6, установленных внутри цилиндра 3 и связанных со шпинделем 1. Поршневая полость устройства герметизирована и залита маслом.

Рисуок 4. - Гидравлический ударный механизм ГУМ

При ликвидации прихвата ГУМ соединяют с извлекаемым снарядом, и дают натяжение бурильной колонне усилием превышающим её вес на 200-800 кН. Сначала скорость перемещения поршня 5 будет небольшой, так как в надпоршневой полости создаётся противодавление при перетоке масла под поршень через три дроссельных отверстия. При этом колонна бурильных труб растягивается, накапливая запас энергии. Пройдя 213 мм поршень 5 попадает в часть цилиндра 3 с продольными пазами. Поскольку площадь сечения для прохода масла из надпоршневой полости в подпоршневую увеличивается более, чем в 200 раз,то шпиндель 1, увлекаемый сжимающимися трубами, перемешается вверх и бойком 4 ударяет по внутреннему торцу переходника 2. Этот удар передается прихваченному инструменту через цилиндр 3 и переходник 7. Для нанесения повторного удара шпиндель 1 опускают вниз, создавая осевую нагрузку 10-20 кН.
Если ГУМ предполагается использовать для нанесения удара вниз, то его разбирают, переворачивают цилиндр 3 с поршнем 5 на 180 градусов и снова собирают. После соединения механизма с прихваченной колонной разгружают бурильные трубы на величину веса УБТ. После входа поршня 5 в широкую камеру цилиндра 3 давление масла в механизме снижается и УБТ падает, ударяя торцом переводника шпинделя 1 по переводнику 2. Этот удар передается на прихваченный инструмент.
В настоящее время ГУМ - один из самых надежных и эффективных отечественных ясов. Он дает хороший эффект при ликвидации заклиниваний, вызванных падением посторонних предметов в скважину, прихватов шламом, затяжек в желоба. Однако опыт применения механизма показывает, что его эксплуатация в высокотемпературных скважинах (при температуре свыше 140 градусов) нецелесообразна.
При устранении прихвата, обусловленного прилипанием к глинистой корке на небольшой длине, рекомендуется применять две сборки ГУМ, одной из которых предусматривается нанесение ударов вверх, а другой - вниз.
Для нанесения ударов вниз в компоновке бурильной колонны должны быть УБТ, вес которых превышает вес прихваченного снаряда не менее,чем на 25%. При нанесении ударов вверх количество УБТ должно обеспечивать деформацию бурильной колонны труб на 400-500 мм. При вытяжке труб менее 300 мм работа ГУМ малоэффективна.
На основе анализа конструкций УМЛП, реализующих энергию упругой деформации твердого тела, и их рабочих характеристик можно отметить следующее.
Механизмы этого типа в большинстве своем просты по конструкции и обладают высокими силовыми характеристиками,особенно использующие энергию,накопленную в бурильной колонне. Конструктивно они могут быть выполнены сравнительно небольшого наружного диаметра. Исключение составляют гидравлические ясы закрытого типа, усложненная конструкция которых, обусловленная необходимостью тщательной герметизации поршневой камеры, ставит под сомнение возможность и целесообразность создание таких УМЛП для скважин диаметром менее 93 мм.
Недостатки, присущие гидравлическим ясам открытого типа быстрый абразивный износ и, в особенности.заклинивание поршня, засорение камер и каналов шламовым материалом) также препятствуют эффективной эксплуатации таких механизмов в скважинах диаметрам менее 93 мм.
Наиболее перспективными механизмами этого типа для использования в геологоразведочных скважинах являются УМЛП с механической фиксацией бойка (механические ясы).Простые конструктивные схемы подобных устройств могут быть успешно внедрены в скважинах диаметрами 59 и даже 46 мм, а по своим энергетическим параметрам они не уступают гидравлическим ясам. В то же время, при конструировании подобных УМЛП следует отдавать предпочтение гидравлическому управлению размыканием механизма, поскольку реализация других способов не позволяет создавать надежных и, главное, долговечных "затворов", обеспечивающих фиксированное положение бойка при накоплении последним потенциальной энергии.
Общим же недостатком всех механизмов, реализующих энергию упругой деформации колонны, является низкая эффективность при работе в сильно искривленных скважинах с резкими перегибами ствола.

1.3. Заключение

Создание эффективной техники и технологии ликвидации аварий в скважинах, является одним из средств совершенствования процесса геологоразведочных работ, обеспечивающих сокращение сроков бурения за счет уменьшения доли непродуктивного времени при эксплуатации буровых установок.
Повышение производительности бурения разведочных скважин может осуществляться за счет снижения до минимума затрат на ликвидацию аварий, среди которых особо выделяются прихваты бурового снаряда. На устранение прихватов затрачивается до 60-80% непроизводительного времени в цикле сооружения скважины, причем этот показатель остается практически неизменным на протяжении последних 15-20 лет, достигая в отдельных геологоразведочных организациях до 50-160 станко-часов на 100 метров проходки /2,4,5/.
В условиях современного интенсивного развития техники и технологии разведочного бурения явно недостаточно внимания уделяется вопросу обеспечения средствами ликвидации аварий в скважинах малого диаметра, что является следствием, с одной стороны - отсутствия тачных данных о доле времени, затрачиваемого на устранение аварийных ситуаций (что не оправдывается ни с точки зрения результативности бурения, ни с экономической точки зрения:), а, с другой стороны - слабого развития теоретических разработок целевых механизмов и устройств.
Наиболее существенную теоретическую и практическую апробацию получили гидровибраторы для ликвидации прихватов бурового снаряда диаметром 57,73,89 и 108 мм /2,3,4,5/.
Однако, вследствие ряда причин (необходимость в длительном воздействии на зону аварии, невысокие динамические нагрузки, большой расход жидкости на привод, ограничения к показателям качества последней, сложность в оперативном включении в работу и другие) их применение нередко невозможно, либо малоэффективно /З/. В связи с чем, перед проектными и исследовательскими организациями возникает актуальная задача создания новых машин, успешно заменяющих механизмы ударно-вибрационного действия.
Значительное развитие получили разработки ударных устройств для извлечения аварийного бурового снаряда из скважин, пройденных на нефть и газ /2.5/. В то же время, в геологоразведочной отрасли такие механизмы малоизвестны, а в перечне необходимых аварийных технических средств они вообще отсутствуют /5,8/.
Подводя итог после рассмотрения вышеперечисленных устройств для ликвидации прихватов можно отметить следующее:

-как правило в качестве элемента, накапливающего энергию упругой деформации, используется бурильная колонна, но область применения таких механизмов ограничивается глубиной скважин (не менее 100 метров для бурильных труб до 59 мм и более 400-500 м при диаметре свыше 89 мм);
-существующие схемы электрических , электрогидравлических, электромеханических вибраторов неприменимы , т. к. их использование ограничивается малым диаметром геологоразведочных скважин;
-основным недостатком пневматических вибраторов , представителем которых является азотный яс, рассмотренный выше, является то, что они требуют специального привода, поэтому их можно рекомендовать для ликвидации прихватов только при бурении скважин с продувкой.
Широкое применение для ликвидации прихватов нашли гидровибраторы. Существует множество конструкций, но необходимые для их работы подачу промывочной жидкости и давление не могут обеспечить буровые насосы. Для работы необходима установка на буровой более мощных насосов.
Для ликвидации прихватов в мелких скважинах рекомендовано устройство , в котором деформируемым элементом является пружина . Исходя из схе-мы этого устройства была разработана его конструкция .

2.Описание разработанного механизма .

2.1.Описание механизма.

Выбивное устройство состоит из корпуса 1 с буртиком 2, переходника 3, пружины 4, наковальни 5, бойка 6 с хвостиком 7 затвора 8 с прокладкой 9 и уступом 10, шариков 11, фиксирующих боек 6 в нижнем положении, и нижнего корпуса 12, жестко связанного с наковальней 5 и предназначенного для соединения с прихваченным снарядом посредством переходника 13. Конструкция обеспечивает свободный доступ промывочной жидкости на забой, что позволяет включать устройство в состав снаряда, а, следовательно, повышает эффективность его применения .

Рисуок 5. - Устройство для ликвидации прихвата

2.2. Принцип действия.

Для нанесения ударов прикладывается растягивающее усилии колонне бурильных труб, соединенных с переходником 3 . При этом пружина 4 сжимается, т.к. верхний конец упирается в хвостовик 7 бойка 6. Одновременно буртик 2 захватывает затвор 8 за уступ 10 и перемещает его вверх. При совмещении проточки 9 с шариками 11, последние перемещаются в проточку, освобождая боек 6, который под действием пружины 4 перемещается вверх и наносит удар по наковальне 5, который передается на прихваченный инструмент через корпусные детали 12 и 13.
После этого снижается натяжение бурильных труб, и верхний корпус возвращается в исходное положение. Боек 6 с затвором 8 также опускается вниз , и шарик 11 входит в проточку хвостовика 7 , фиксируя боек 6 . Для нанесения последующего удара цикл повторяется .

2.3. Преимущества разработанного механизма.

При небольших глубинах (100-200м) возникают сложности в использовании ударных механизмов для ликвидации аварий : поверхностные устройства неэффективны из-за затухания ударных процессов в буровом снаряде большой длины, ясы также неэффективны из-за недостаточной деформации бурильной колонны. В таких условиях возможно применение разрабатываемого устройства.
Разрабатываемое устройство имеет простую конструкцию и простые условия эксплуата-ции.
Устройство состоит из деталей, не требующих сложной обработки при их изготовлении. Поэтому большинство деталей может быть изготовлено в мастерских ГРЭ.
Для приведения в действие данное устройство не требует дополнительных агрегатов, механизмов и т.д.
Устройство можно включать в состав снаряда, что значительно сокращает время между возникновением аварии и началом ее ликвидации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Александров Е.В., Соколинский Б.В. Прикладная теория и расчет ударных систем.-М.;Недра,1969.-132 с.
2.Гончаров А.Е., Винниченко В.М. Пособие бурильщику и мастеру по предупреждению и ликвидации аварий и осложнений при разведочном бурении.-М.;Недра,1987.-128 с.
З.Дубленич Ю.В., Жданков В.Ф. Определение области эффективного применения гидравлического ударного механизма для ликвидации прихватов бурильных труб / РНТС "Бурение".-Вып.4.-М.:ВНИИЭОНГ, 1979.-С.12-14.
4.Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях.Сборник. Донецк,ДПИ,1991.
5.Коломоец А.В. Предупреждение и ликвидация аварий в разведочном бурении.-М.;Недра,1985.-224с.
6.Кичигин А.В., Назаров В.И. Анализ конструкций ударных механизмов для ликвидации прихватов бурильной колонне в скважи-не / РНТС "Машины и нефтяное оборудование".-Вып.7.-М.:ВНИИЭОНГ ,1981.- С. 2-5.
7.Неудачин Г.И., Коломоец А.В., Калиниченко О.И., Пилипец В.И. Новые технические средства ликвидации аварий при бурении скважин // Уголь Украины.-1981.-N10.-С.27-29.
8.Пустовойтенко И.П., Сельващук А.П. Справочник мастера по сложным буровым работам.-М.;Недра,1983.-248 с.

вверх