Создание эффективной техники и технологии ликвидации в скважинах является одним из средств совершенствования процесса геологоразведочных работ, обеспечивающих сокращение сроков бурения за счет уменьшения доли непродуктивного времени при эксплуатации буровых работ.
Задача создания устройств для ликвидации аварий в разведочных скважинах не теряет своей актуальности на протяжении многих лет, потому что сооружение скважины – трудоемкий инженерно-технологический прогресс, 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 выполнившихся геологического задания.
Требования к устройствам для ликвидации аварий: 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.
Для ликвидации прихватов, обусловленных действием перепада давления (I категория) успешно используются испытатели пластов, создающие депрессию в зоне аварии. Поэтому правомерным является появление ряда конструкций УМЛП, оказывающих воздействие на прихваченный снаряд и сочетающих ударные нагрузки с одновременным снижением гидростатического давления в зоне аварии.
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.
Объектом работы является дл ликвидации прихвата во время бурения скважины.
Цель – повышение эффективности прихвата, для чего обеспечивают циркуляцию промывочной жидкости через устройство.
Магистерская работа является частью работ, выполняемых кафедрой «Технология и техника геологоразведочных работ» по созданию технических средств для бурения скважин в осложненных условиях.
2. Аналитический обзор
Устройства, в которых реализуется потенциальная энергия сжатого тела нашла в данное время наиболее широкое применение в практике бурения скважин. Эти устройства отличаются значительным многообразием конструктивных разработок.
Наибольшее распространение получили ударные устройства, которые реализуют энергию упругой деформации твердого тела. Рабочий цикл этих устройств можно разбить на фазы.
Первая фаза – сжатие или растягивание упругого элемента. Осуществление этого периода работы предполагается наличие «затвора», что обеспечивает фиксацию бойка при накоплении потенциальной энергии.
На второй фазе происходит размыкание «затвора». Этот этап рабочего цикла предполагает освобождение бойка путем размыкания «затвора».
После размыкания «затвора» едёт фаза перемещения бойка, который, достигая наковальни, связанного с прихваченной частью снаряда передает ей накопленный запас энергии.
Традиционно в качестве элемента, который накапливает энергию упругой деформации, использовалась бурильная колонна. Подобные устройства способные передавать мощные динамические нагрузки на прихваченный снаряд. Но область применения таких механизмов ограничивается глубиной буровых скважин (не менее 200-250 метров для бурильных труб диаметром до 50 мм и более 400-500 метров при диаметре свыше 89 мм).
Для ликвидации прихватов в мелких скважинах могут быть рекомендованы УМЛП, в которых деформируемым элементом, есть пружина. Эти устройства немногочисленны и пока не нашли широкого применения. Но они могут быть перспективными на маленьких глубинах, так как параметры не зависят от глубины буровой скважины.
К УМЛП, которое реализует энергию упругой деформации бурильной колонны, относится большинство известных механических и гидравлических ясов.
Механические ясы отличаются более простой конструкцией, поэтому они наиболее распространены. Из отечественных устройств этого типа известны УЛП-190-1, ВУК и РШ-73.
3. Обоснование направления работ
Прототипом для усовершенствования является ударный механизм РШ-73.
К его недостаткам можно отнести отсутствие влияния промывного агента на забой в процессе ликвидации прихвата.
4. Описание разработанного механизма
4.1. Описание механизма
Устройство содержит корпус 1 с наковальней 2, переходником 3 и приливом в виде втулки 4, охватывающей шток 5, который снабжен бойком 6. под втулкой 4 установлен поршень 7, выполненный в виде стакана, охватывающего втулку, и подпружиненный относительно корпуса 1 пружиной 8. В отверстиях втулки 4 размещены фиксирующие элементы – шарики 9, которые удерживаются в проточке штока 5 поршнем 7.
Устройство снабжено полым патрубком 10, телескопически установленным с возможностью ограниченного осевого перемещения в штоке 5 и поршне 7 и подпружиненным в осевом направлении пружиной 11 относительно поршня 7. Поршень 7 выполнен с дополнительной полостью 12 и байпасными каналами 13, сообщающими дополнительную полость 12 поршня 7 и подпоршневое пространство. Полый патрубок 10 установлен с возможностью перекрытия байпасных каналов 13 в крайнем нижнем положении полого штока 10 и в верхнем нижнем положении поршня 7. Шток 5 имеет во внутренней полости уступ 14 для взаимодействия с торцом полого патрубка 10. Полый патрубок 10 снабжен уплотнением 15. Поршень 7 имеет седло под бросовый шаровой клапан 16. В патрубке 10 выполнены боковые промывочные окна 17, а в корпусе 1 и штоке 5 – дренажные отверстия 18 и 19.
Рисунок 4.1 Схема ударного механизма
Устройство работает следующим образом
В случае возникновения прихвата устройство спускается к аварийному снаряду на бурильных трубах, соединяемых с переходником, и соединяется с первым переходником.
После этого по бурильным трубам сбрасывается клапан, который перекрывает осевой канал в поршне. Затем дают натяжение бурильной колонне и включают насос. Жидкость через осевой канал в патрубке и промывочные окна, поступает в полость механизма над поршнем. За счет избыточного давления поршень перемещается вниз, сжимая пружину. При этом патрубок остается неподвижным относительно штока, поскольку прижимается к уступу пружиной. Кроме того, обводные канала также остаются перекрытыми уплотнением патрубка. В процессе движения поршень освобождает шарики, которые выходят из проточки на штоке. За счет накопленной в бурильной колонне энергии упругой деформации шток быстро перемещается вверх и бойком наносит мощный удар по наковальне, энергия которого передается прихваченному снаряду. При этом, поскольку уступ перемещается вверх и не препятствует движению патрубка, то последний под действием пружины занимает крайнее верхнее положение в камере, открыв обводные каналы, по которым промывочная жидкость подается в подпоршневую полость механизма и далее на забой скважины. При этом часть жидкости выбрасывается в скважину через дренажные отверстия. Подача жидкости на забой скважины позволяет восстановить нормальную циркуляцию промывочного агента, что предотвращает возможные осложнения, связанные с нарушением циркуляции (например, оседание шлама, мелкие вывалы и осыпи). Кроме того, в случаях прихватов шламом или рыхлыми несвязными породами это позволяет осуществить их размыв и способствует более быстрому освобождению инструмента. В случае, когда циркуляцию сразу восстановить не удается, то весь поток жидкости выбрасывается в скважину выше прихваченного инструмента через дренажные отверстия. Для нанесения следующего удара бурильную колонну опускают до упора бойком во втулку. При этом под действием пружины поршень перемещается вверх, возвращая шарики в проточку штока и фиксируя последний относительно втулки. Уступ контактируя с патрубком, возвращает его с исходное состояние. Затем цикл работы повторяется. Если необходимо чередовать удары вверх и вниз, то после удара вверх бурильная колонна сбрасывается и, двигаясь под действием собственного веса, бить бойком по втулке.
Анимация 1. Устройство для ликвидации прихватов
(2 кадра, 10 повторов)
4.3. Преимущества разработанного механизма.
Сила натяжения и величина деформации пружины довольно точно регулируются изменением длин верхних и нижних корпусов и изменением жесткости пружины.
Устройство состоит из деталей, которые не требуют сложной обработки при их изготовлении. Поэтому большинство деталей может быть изготовлено у мастерских ГРЭ.
Для приведения в действие данное устройство не требует дополнительных агрегатов, механизмов и т.д.
Устройство можно включать в состав снаряда, который значительно сокращает время между возникновением аварии и началом его ликвидации.
5. Технология применения и правила эксплуатации
Технологически устройство УМ-89Г можно использовать двумя способами:
- применять после возникновения аварии;
-включать в состав бурового снаряда при перебуриваннии прихватоопасных зон.
При эксплуатации УМ-89Г после возникновения прихвата должна выполняться следующая последовательность технологических операций:
1. Колона бурильных труб отсоединяется от прихваченной части бурового снаряда и вытягивается на поверхность.
2. В зависимости от глубины прихвата по рекомендациям устанавливается необходимая величина хода бойка механизма (путем подбора длины патрубка между втулкой и наковальней устройства).
3. Механизм опробывается на поверхности, для чего его устанавливается на устье буровой скважины, у него забрасывается пулевой клапан, а шток соединяется с трубой, которая ведет. Включается буровой насос. При увеличении давления в напорной магистрали до 0.3 Мпа (контроль осуществляется по манометру) замок устройства должен разомкнуться, вследствие чего шток устройства выдвигается из корпуса, а жидкость начинает вытекать с нижнего переходника механизма. В случае отказа замка необходимо разобрать устройство, устранить причину неисправности и повторить апробирования УМЛП.
4. К штоку механизма присоединяется отсоединительный переходник с ловильным инструментом.
5. Устройство плавно и без поворотов влево опускается к местоположению верхнего конца прихваченного снаряда, после чего осуществляется промывка буровой скважины на протяжении 10-20 минут.
6. Устройство присоединяется к прихваченному снаряду и через трубы сбрасывается шариковый клапан.
7. После посадки шарикового клапана в седло поршня лебедкой выполняется натягивание колонны в границах 25-100 кН свыше измеренную раньше веса бурильных труб. Контроль усилия натягивание осуществляется по МКН-2 или другому аналогичному прибору. Рекомендуется первые удары выполнять при минимальном натягивании колонны (в границах 25-30 кН), в дальнейшем постепенно увеличивая его. Во избежание выхода из строя гидропатронов не рекомендуется выполнять натягивания бурильных труб гидроцилиндрами подачи бурового станка.
8. Включается буровой насос, и под давлением жидкости происходит срабатывание замка механизма, вследствие чего генерируется удар, который передается прихваченному снаряду. Удар сопровождается резким и сильным звуком, а также визуально заметными колебаниями верхнего конца бурильной колонны и талевой системы. При размыкании замка величина давления жидкости контролируется по манометру и не должна превышать 2.5-3.5 МПа. Возрастание давления выше указанной величины свидетельствует о заклинивании поршня механизма. В таком случае необходимо снять давление жидкости и уменьшить натягивания бурильных труб, а потом повторить попытку разомкнуть замок.
9. После нанесения удара буровой насос (в зависимости от ситуации) отключается или сразу, или после подачи на протяжении некоторого времени жидкости на забой буровой.
10. Для нанесения нового удара необходимо подождать 1-2 минуты после исключения насоса для выравнивания давления в бурильных трубах и буровой скважине и опустить буровой снаряд вниз. УМЛП возвратится в замкнутое состояние.
11. Далее повторяются операции в соответствии с п.6-10 вплоть до ликвидации аварии, при этом рекомендуется дежурство ударных и статических нагрузок, которые прикладываются к прихваченному снаряду. После ликвидации аварии осуществляется промывка буровой скважины на протяжении 20-30 минут и подъема бурового снаряда на поверхность.
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 разъединительным переходником. При возникновении аварии через бурильные трубы сбрасывается шариковый клапан и дальше операции повторяются соответственно п.6-10, приведенным выше.
ВЫВОД
В результате выполнения работы разработан комплекс против аварийного инструмента для разведывательных буровых скважин.
По работе можно сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Комплекс ударных механизмов может состоять из двух типов механизмов: ударных механизмов с накоплением потенциальной энергии в упругом элементе - пружине сжатия (для глубин до 200 м) и ударных механизмов с накоплением потенциальной энергии в бурильной колонне (для больших глубин).
2. Использование ударных механизмов с накоплением потенциальной энергии в упругом элементе - пружине сжатия - дает возможность достичь независимости энергетических параметров механизма от глубины буровой скважины, которая разрешает эффективно применять их при ликвидации прихватов на небольших глубинах.
