На Главную

Автор Чупров Антон Леонидович

РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН

Кандидат технических наук Филимоненко Н.Т.

В условиях Донбасса очевидно важную роль в комплексе народного хозяйства играет бурение скважин. Бурение может выступать в качестве метода получения наиболее полной и достоверной информации о геологической обстановке указанного района, посредством бурения проводится сооружение многих инженерно-технических объектов, способствующих нормальному функционированию и благоприятному развитию других хозяйственных отраслей, наконец, добыча полезных ископаемых из земных недр проводится в большинстве случаев именно средствами бурения. Так, в настоящий момент, без проведения буровых работ не представляется возможным реализация строительства метрополитенов, шахтного строительства, возведения жилищных и промышленных объектов, добычи жидких и газообразных полезных ископаемых и многих других направлений народнохозяйственной деятельности. Способы, методы и объекты бурения разнообразны, их выбор и применение на практике зависит от конечных целей работ, геологических условий их проведения, существующих экологических норм и доступной материальной базы.
Данная работа рассматривает сооружение горизонтальных скважин малого диаметра, проходимых вращательным или вращательно-ударным способом бурения с центральной схемой промывки. В обозначенных рамках, бурение скважин сталкивается со множеством проблем. Большинство из них связанно с геологической обстановкой в данном регионе. В условиях Донбасса, большинство скважин сооружается в условиях поглощения промывочной жидкости в проницаемые зоны, имеющие геологическую и техногенную природу. Это сопряжено не только со значительными затратами на ее воспроизводство и доставку, но и с загрязнением породных толщ токсичными веществами, входящими в состав используемых промывочных агентов. Изучение геологических разрезов скважин, сооружаемых в Донбассе, показывает, что 48 % разреза составляют проницаемые зоны. Из них более половины имеют техногенную природу. При бурении в таких условиях поглощение промывочной жидкости носит катастрофический характер и приводит к удорожанию погонного метра сооружаемой скважины примерно на 16-20 %. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование достаточно нового подхода к способу промывки скважин: внутрискважинной пульсирующей промывки.

Схема работы комплекса пульсирующей призабойной промывки. Технические данные -количество кадров - 10 -число повторений - 5 -размер изображения - 295х395 pix.

Такой способ не требует использования дорогих и, в большинстве случаев, токсичных химических реагентов, уменьшающих поглощение жидкости. Кроме того, он позволяет свести к минимуму расход промывочной жидкости в скважине, а значит, уменьшить затраты на ее подвоз к месту работ, что особенно актуально для труднодоступных и засушливых районов. Изучением пульсирующей внутрискважинной промывки и разработкой пневматических пульсационных насосов в разное время занимались в России Бажутин А.Н. и Шолохов Л.Г., Большаков В.В. (Уральская государственная горно-геологическая академия г. Екатеринбург). На Украине исследования проводятся в Донецком национальном техническом университете под руководством Филимоненко Н.Т. при непосредственном участии автора.
Предлагаемая технологическая схема промывки скважины приведена на рис.1. Пневматический вытеснитетель 1 устанавливается в скважине 2 с таким расчетом, чтобы он был заглублен под уровень жидкости на 10–12 м. Благодаря этому, создается гидравлический подпор на уровне всасывающего клапана 3, за счет которого пневматический вытеснитель заполняется жидкостью. В его верхней части установлена направляющая 9 с поплавковым клапаном 10. Последний при заполнении внутренней полости вытеснителя 1 перемещается по направляющей 9 и перекрывает каналы 11. Этим предотвращается попадание промывочной жидкости в колонну бурильных труб 8 выше пневматического вытеснителя 1. Поскольку промывка внутрискважинная, то для сбора выбуренного шлама выше колонковой трубы 4 устанавливается открытая шламовая труба 5. Вращение и осевая нагрузка к колонковой трубе 4 и породоразрушающему инструменту 6 передается от бурового станка (не показан) через ведущую трубу 7, бурильные трубы 8, корпус пневматического вытеснителя 1. Прямая призабойная пульсирующая промывка возбуждается следующим образом. Сжатый воздух от компрессора 12 по манифольду 13 через специальный воздухораспределитель 14, установленный на поверхности, нагнетательный шланг 15, сальник-вертлюг 16, ведущую трубу 7, периодически подается во внутреннюю полость вытеснителя 1. При этом жидкость вытесняется на забой скважины 2 через канал 17, нагнетательный клапан 18, колонну бурильных труб 8, колонковую трубу 4 и породоразрушающий инструмент 6. Управление воздухораспределителем 14 осуществляется специальным прибором 19. Канал 20 служит для соединения воздухораспределителя 14 с прибором управления 19.
Рабочий цикл (рис. 2) погружного пневматического вытеснителя состоит из периодически повторяющихся этапов вытеснения промывочной жидкости и заполнения ею вытеснительной камеры. Поскольку на этапе заполнения промывка забоя скважины отсутствует, внутрискважинная циркуляция носит явно выраженный пульсирующий характер. Технологическая схема промывки позволяет косвенным образом визуально контролировать ее процесс. Это осуществляется следующим образом. В момент перекрытия поплавковым клапаном 24 канала 17 (окончание этапа вытеснения промывочной жидкости из полости пневматического вытеснителя) или канала 25 (окончание заполнения полости пневматического вытеснителя) возникают импульсы давления, которые передаются по пневматической сети и приводят к колебаниям стрелки манометра 26, что визуально регистрируется на приборе управления 19.
В случае возникновения аварийной ситуации (прихват бурового снаряда) нагнетательный шланг 15 отключается от пневматической сети и подключается к буровому насосу (не показан). Промывочная жидкость через сальник-вертлюг 16, ведущую трубу 7, бурильные трубы 8, поступает в вытеснительный цилиндр 1, отбрасывает поплавковые клапаны 10 и 24. Поплавковый клапан 24 подхватывается скоростным потоком жидкости и перекрывает канал 17. За счет давления жидкости на подпружиненный клапан 22, последний открывается и очистной агент через отверстия 23 и нагнетательный клапан 18 поступает на забой скважины. Таким образом, осуществляется размыв прихваченной части бурового снаряда. При работе пневматического вытеснителя в обычном режиме клапан 22 не открывается, поскольку давление сжатого воздуха в вытеснительной камере 1 значительно меньше, чем давление жидкости, которое будет наблюдаться во время размыва прихваченной части бурового снаряда.

Рис.1. Технологическая схема пульсирующей промывки скважины: 1 — пневматический вытеснитель; 2 — скважина; 3 — всасывающий клапан; 4 — колонковая труба; 5 — шламовая труба; 6 — породоразрушающий инструмент; 7 — ведущая труба; 8 — бурильные трубы; 9 — направляющая; 10 — поплавковый клапан; 11, 17, 23, 25 — каналы; 12 — компрессор; 13 — манифольд; 14 — воздухораспределитель; 15 — нагнетательный шланг; 16 — сальник-вертлюг; 18 — нагнетательный клапан; 19 — прибор управления; 20 — канал связи; 21 — пружина; 22 — клапан; 24 — поплавковый клапан

Рис. 2. Рабочий цикл пневматического вытеснителя

Рис. 3. Перемещение частички шлама

Данная магистерская работа направлена на автоматизацию просчета и анализа режимных параметров системы внутрискважинной пульсирующей промывки. Целью работы является упрощение организация процесса проектирования буровых работ таким образом, чтобы инженер, занимающийся данным вопросом, мог выполнить свою работу с максимальной достоверностью и точностью в минимальные сроки. Для этого разработан специальный программный продукт, призванный оградить технолога от сложных математических выкладок на этапе проектировки будущей системы промывки и ее режимных параметров. Автоматизация расчетов позволит существенно сократить временные затраты, дав возможность инженеру более точно и детально заняться технологическими вопросами будущих работ. В задачи программного продукта будут входить: проведение всех необходимых расчетов системы с указанной степенью точности. Программа должна проводить четкий анализ результатов выполненных вычислений, предоставлять по ним полный и наглядный отчет в бумажном и электронном виде. Кроме того, проектировщику будет предоставлено наглядное графическое отображение изменений исследуемых технологических параметров, а так же будут сделаны выводы по результатам анализа и определенные рекомендации по оптимизации режимных параметров работы системы в целом. Программный продукт должен быть достаточно гибким в отношении различных вариантов реализации схемы промывки, условий ее применения, а так же в отношении используемых для промывки жидкостей.

Реализация математической базы:

Рис. 4 Блок-схема алгоритма расчета системы с погружным воздухораспределителем.

Рис. 5 Блок-схема алгоритма расчета системы
с поверхностным воздухораспределителем.

Разработка графического интерфейса:

Следующим шагом в создании программы стало отображение результатов расчета каждого из созданных блоков в виде графиков и таблиц, а так же создание полных отчетов по результатам вычислений с возможностью их последующей распечатки. На завершающем этапе создания программы была проведена работа по оформлению и дизайну пользовательского интерфейса программы, созданию удобных форм для ввода исходных данных. Так же была осуществлена организация сопутствующей базы данных для автоматизации ввода технических данных об известном оборудовании и его комплектующих. Кроме того, была создана сеть связей между созданными ранее блоками, в результате чего все запрограммированные расчеты стали работать по одной схеме и единой, разработанной ранее методике расчета.

Рис. 6 Выбор способа расположения воздухораспределителя и задание исходных параметров для системы.

Рис. 7 Выбор типа породоразрушающего инструмента, бурильных труб и колонкового снаряда.

Рис. 8 Ввод исходных данных и запуск программы расчета параметров системы (расход жидкости, скорость ее течения, давление в вытеснительной камере и т.д.).

Рис. 9 Построение графика изменения расхода воздуха в пульсирующем воздухораспределителе, по времени.

Рис. 10 Определение процентного соотношения частиц шлама, в сравнении с их эквивалентным диаметром.

Таким образом, на сегодняшний день, разрабатываемый программный продукт представляет собой рабочую версию просчета режимных параметров промывочной системы с призабойной пульсирующей промывкой. Работы по дальнейшей структуризации расчетов, их уточнению и корректировке продолжаются. Конечный результат данной рзработки будет представлен позднее в дипломном проекте.

Библиографический список