Актуальность
     Сооружение скважины - трудоемкий инженерно-технологический процесс, нередко осложняющийся различного рода авариями, которые снижают производительность труда и повышают себестоимость буровых работ. На устранение аварий в год тратиться от 5 до 10% рабочего времени. Аварии также часто являются причинами списания скважин, не выполнивших геологического задания.

Поэтому задача создания устройств для ликвидации аварий в разведочных скважинах не теряет своей актуальности на протяжении многих лет.

Все создаваемые устройства должны вписываться в малые диаметры современных скважин, а при пересечении осложненных прихватоопасных зон - легко и быстро включаться в состав бурового снаряда. В связи с необходимостью дальнейшего технического перевооружения геологоразведочных организаций и оснащения их высокоэффективным оборудованием и аппаратурой механизмы для предупреждения и ликвидации прихватов тоже должны соответствовать лучшим мировым образцам и стандартам.

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 (1 категория по классификации А.К.Самотоя), 32% - вследствие заклинивания инструмента (2 категория) и 42% - по причине сужения ствола скважины в связи с осыпями, обвалами, сальникообразованиями, оседанием шлама и утяжелителя (3 категория). Подобная картина наблюдается и в геологоразведочной отрасли, за исключением прихватов 1 категории, которые не так широко распространены, как при бурении скважин большого диаметра.

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 ударные механизмы для ликвидации прихватов (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 2 категории. При этом вероятность извлечения прихваченного инструмента составляет 0.7. Применение ясов различного принципа действия приводит к положительным результатам при устранении прихватов 3 категории. В этом случае наибольший эффект достигается при обработке аварийного инструмента ударными импульсами в совокупности с интенсивным расхаживанием инструмента или установкой жидкостных ванн.

Использование ясов для ликвидации прихватов под действием перепада давления (1 категории) так же может давать положительный результат, но в сочетании с другими методами (например, установкой нефтяных ванн).

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.

В Донбассе бурение в основном ведется по полям угольных шахт, где имеется огромное количество зон поглощений, которые обусловлены влиянием горных работ. Вследствие этого возможность возникновения прихватов в результате ухода промывочной жидкости увеличивается во много раз.

Применение ясов в данных условиях может усугубить ситуацию, так как колеблющаяся бурильная колонна может интенсивно разрушать стенки скважины, не заполненные жидкостью.

Существуют ударные механизмы, реализующие гидростатическое давление столба жидкости в скважине, при этом колонна бурильных труб не воспринимает динамические нагрузки, то есть не участвует в колебательной системе. Однако все они в вышеописанных условиях не могут использоваться, потому что ранее разработанные устройства не работают для нанесения ударов по прихваченному снаряду в скважинах с низким уровнем жидкости над забоем или в пустых скважинах. Такая ситуация возникает в скважинах, которые пересекают зоны катастрофических поглощений, например, зоны старых горных выработок. Энергия ударов поршня-бойка в этих устройствах по прихваченному снаряду зависит от гидростатического давления в скважине.

Цель работы
     Поэтому в магистерской работе поставлена задача разработки ударного механизма для ликвидации прихватов бурового снаряда в скважинах с низким статическим уровнем, реализующего гидростатическое давление столба жидкости в бурильных трубах. Это позволит применять его для ликвидации прихватов в скважинах, возникающих в случае катастрофических поглощений промывочной жидкости.

Основные задачи

1.      Разработка математической модели работы ударного механизма, реализующего гидростатическое давление столба жидкости в бурильных трубах.

2. Разработка конструкции ударного механизма, реализующего гидростатическое давление столба жидкости в бурильных трубах.
3. Разработка методики расчета конструктивных параметров ударного механизма.
4. Разработка технологии применения ударного механизма.

Магистерская работа является частью работ, выполняемых кафедрой «Технология и техника геологоразведочных работ» по созданию технических средств для бурения скважин в осложненных условиях.

Теоретический анализ
     Разработана методика инженерного расчета скорости движения бойка ударного механизма, реализующего перепад давления между скважиной и бурильными трубами.

При расчете рабочего цикла при глубинах скважин свыше 100 м рекомендуется учитывать сжимаемость жидкости при составлении уравнения движения бойка.

Дифференциальное уравнение движения бойка ударного механизма, реализующего перепад давления между скважиной и бурильными трубами с учетом упругих свойств жидкости, выглядит следующим образом:

где m – масса бойка;

        р – плотность жидкости;

        с – скорость распространения гидроударной волны;

        F – площадь поршня-бойка;

        V – скорость перетекания жидкости из скважины в ударный механизм;

        h – уровень жидкости в бурильной колонне;

        H – уровень жидкости в скважине;

        G – вес бойка;

        R – суммарные механические сопротивления при движении бойка в цилиндре механизма.

Данное уравнение должно решаться совместно с уравнением Бернулли для неустановившегося движения жидкости при перетоке несжимаемой жидкости из скважины в цилиндр механизма. Совместное решение этих уравнений позволяет получить следующее решение:

Для пустых скважин при Н = 0:

        Vo – максимальная скорость перетока жидкости в цилиндр механизма.

        ?? – суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений, определяется в зависимости от реальной конструкции скважины:

        T – сокращенное обозначение:

Описание предложенной конструкции устройства.
        Устройство для ликвидации прихватов бурового снаряда включает корпус с радиальными отверстиями и уступом на внутренней поверхности, концентрически установленный в него шток с наковальней, ограничителем на наружной поверхности, осевым каналом, седлом под обратный клапан и двумя рядами радиальных отверстий, расположенных между ограничителем и седлом обратного клапана, поршень-боек, расположенный между наковальней и ограничителем штока, и перегородку, установленную ниже поршня-бойка. Наковальня выполнена в виде поршня. В корпусе выше наковальни расположена дополнительная перегородка, в отверстии которой установлен подвижный в осевом направлении патрубок с выступами, расположенными между наковальней и дополнительной перегородкой. Нижняя часть этого патрубка установлена в осевом канале штока и соединена з полым поршнем, расположенным выше седла обратного клапана напротив верхнего ряда радиальных отверстий штока. Верхняя часть патрубка соединена с направляющей воронкой, расположенной выше дополнительной перегородки. При этом перегородка под поршнем-бойком с установленным в ней клапаном расположена между двумя рядами радиальных отверстий штока и соединена с ним. Радиальные отверстия в корпусе расположены выше поршня-бойка. Седло обратного клапана в штоке развернуто в сторону патрубка. Выступы патрубка и направляющая воронка сделаны с возможностью периодического взаимодействия с дополнительной перегородкой.

Устройство работает следующим образом.

Оно применяется в скважинах с низким уровнем промывочной жидкости над забоем, например при бурении пластов пород с катастрофическим поглощением промывочной жидкости. При использовании после возникновения прихвата в скважине, он спускается к прихваченному объекту на бурильных трубах, соединенных з корпусом. При этом обратный клапан в механизме отсутствует. При необходимости промывка забоя скважины осуществляется через осевые каналы устройства. При соединении устройства з прихваченным буровым снарядом штоком, к которому может дополнительно крепиться ловильный инструмент, вращение от бурильных труб передается на шток через корпус, нижний переходник и шлицевое соединение. Потом по бурильным трубам скидывается обратный клапан, который садится в седло и перекрывает осевой канал в штоке. При этом направляющая воронка помогает клапану попасть в канал штока. Далее бурильные трубы с помощью насоса заполняют промывочной жидкостью таким образом, чтобы уровень жидкости в них был значительно выше, чем в скважине. При этом клапан не дает жидкости вытекать из полости бурильных труб, поэтому жидкость заполняет полость под перегородкой через отверстия, а также полость штока под и над поршнем, попадая туда соответственно через канал в патрубке и каналы 22, 17, 23. Поршень-боек остается на ограничителе под действием собственного веса и давления промывочной жидкости в скважине. Поршень-боек связан со скважиной каналами в корпусе и изолирован от полости бурильных труб наковальней, сделанной в виде поршня.

Для нанесения удара дают натяжение бурильным трубам и поднимают корпус в крайнее верхнее положение до контакта нижнего переходника с клапаном перегородки. При этом дополнительная перегородка взаимодействует с направляющей воронкой и поднимает ее вверх. Таким образом, патрубок поднимается вместе с полым поршнем, открывая верхний ряд радиальных отверстий в штоке. Жидкость с полости бурильных труб начинает перетекать под поршень-боек через осевой канал патрубка и отверстия. Так как давление под поршнем-бойком больше, чем над ним, потому что уровень жидкости в бурильных трубах значительно больше, чем в скважине, то поршень-боек движется вверх и наносит удар по наковальне. При этом жидкость из полости над поршнем-бойком вытесняется в скважину через отверстия.

Для нанесения повторного удара бурильные трубы опускают вниз. Корпус уступом давит на поршень-боек и перемещает его вниз до ограничителя. При этом жидкость из-под поршня-бойка вытесняется в полость бурильных труб через отверстия. Когда дополнительная перегородка надавит на уступы патрубка, то последний движется вниз до контакта уступов с наковальней. При этом поршень перекрывает каналы, и тогда жидкость из-под поршня-бойка вытесняется в полость бурильных труб через клапан и отверстия, так как нижний переходник уже освободит клапан.

Удары, которые передаются на прихваченный снаряд во время работы устройства, приводят к освобождению снаряда от прихвата.

Каналы обеспечивают в процессе работы свободное перетекание жидкости в полость устройства, расположенных над полым поршнем и наковальней.

Устройство также может включаться в состав бурового снаряда. При этом в процессе бурения скважины в механизме отсутствует обратный клапан. Вращательный момент на забой передается штифтами, усилие осевого нагрузки – уступами на поршень-боек и ограничитель штока. В случае возникновения прихвата обратный клапан скидывают по бурильным трубам, и он садится в седло. Дальнейшая робота устройства аналогична.

Технология применения
     Технологически устройство можно использовать двумя способами:

- применять после возникновения аварии;

- включать в состав бурового снаряда при перебуривании прихватоопасных зон.

При эксплуатации данного устройства после возникновения прихвата должна выполняться следующая последовательность технологических операций:

1. Колонна бурильных труб отсоединяется от прихваченной части бурового снаряда и извлекается на поверхность.

2. В зависимости от уровня жидкости в скважине, устанавливается необходимая величина хода бойка механизма.
3. К штоку устройства присоединяется отсоединительный переходник с ловильным инструментом.
4. Устройство плавно и без поворотов влево спускается к месту расположения прихваченного снаряда и соединяется с его верхним торцом. При спуске механизма рекомендуется дополнительно уплотнять резьбовые соединения труб (герметиком, смазкой Р-2 и т.д.) для обеспечения надежной герметизации внутренней полости бурильной колонны.
5. Лебедкой станка осуществляется подъем бурильной колонны (рекомендуется производить при максимально возможной скорости навивки каната на барабан). При этом открывается доступ промывочной жидкости в подпоршневую полость механизма, и боек наносит по наковальне удар, передающийся прихваченному снаряду.
6. Для нанесения последующего удара необходимо опустить буровой снаряд вниз. Под действием веса инструмента жидкость вытесняется из подпоршневой полости в скважину, и устройство возвращается в исходное состояние.
7. Далее повторяются операции по п.5-6 вплоть до ликвидации аварии, при этом после серии из 3-5 ударов рекомендуется приложение к прихваченному снаряду статических нагрузок.

После ликвидации аварии осуществляется промывка скважины в течение 20-30 минут, и подъем бурового снаряда на поверхность.

Если после нанесения 50-60 ударов не было никаких признаков освобождения колонны от прихватов, то работы с устройством следует прекратить, отсоединиться от аварийного снаряда и поднять свободную часть снаряда на поверхность.

8. После извлечения устройства из скважины производится его полная разборка, осмотр и замена изношенных деталей. Механизм очищается от шлама, смазывается и вновь собирается.

При отрицательном результате применения устройства, в ряде случаев, возможно его повторное использование после установки нефтяной или кислотной ванны в зоне прихвата.

В случае применения устройства в составе бурового снаряда он устанавливается над колонковой трубой и отсоединительным переходником. При возникновении аварии через бурильные трубы сбрасывается шариковый клапан и далее операции повторяются в соответствии с п.5-8, приведенными выше.

        Разрабатываемое устройство имеет значительное преимущество – оно может применяться в скважинах с низким уровнем жидкости над забоем или в сухих скважинах. Однако недостатком будет являться то, что устройство нельзя применять в скважинах с высоким уровнем жидкости в скважине.

        В дальнейшем предполагается разработать устройство для ликвидации аварий, работающее в скважинах как с высоким так и с низким уровнем жидкости.

        В настоящее время разрабатывается уточненная математическая модель рабочего цикла устройства.