 |
Колесникова Елена Владимировна
Факультет: Горно-геологический
Специальность: Техника и технология разведки месторождений полезных ископаемых
Тема выпускной работы: "Разработка гидравлического устройства, включаемого в состав бурового снаряда, для ликвидации прихватов в разведочных скважинах"
Руководитель: доцент кафедры ТТГР РЯЗАНОВ Андрей Николаевич
Общая характеристика работы
Введение
Одной из основных причин, снижающих эффективность разведочных буровых работ, является наличие аварий, на ликвидацию которых затрачивается около 7 – 8% времени от бурения скважин.
Самым распространенным и сложным видом аварий является прихват бурового снаряда или обсадных труб - авария в скважине, характеризующаяся частичным или полным прекращением движения бурового снаряда, при которой находящуюся в скважине колонну нельзя свободно поднять.
На ликвидацию таких аварий затрачивается в среднем от 30 до 80% непроизводительных затрат времени и средств.
Кроме того, обрывы, развертывания и падения инструмента часто сопровождаются прихватами или предшествуют им. Кроме того, прихваты также возникают не только в открытом стволе, но и внутри обсадной колонны, особенно пря ее смятии, протирании, разбуривании цементного стакана или моста. С ростом глубин бурения технических скважин сложность и тяжесть прихватов, а также процесса их ликвидации непрерывно возрастают. Значительно повышаются затраты на вспомогательные операции, связанные с предупреждением и ликвидацией прихватов, а также предшествующих им осложнений.
Разработка и внедрение эффективных методов и технических средств предупреждения и ликвидации прихватов являются одной из актуальных проблем бурения технических скважин.
Аналитический обзор
Одним из перспективных устройств для ликвидации прихватов являются ударные механизмы, которые в зависимости от направленности гидравлического воздействия на поршень можно подразделить на две группы:
Области применения гидроударных машин
Анимация. 4 кадра. 5 повторений. Для запуска обновите страницу.
1. Гидроударные механизмы одинарного действия с одной рабочей полостью цилиндра, у которых один ход бойка совершается под действием промывочной жидкости, другой – за счет силы пружины или собственного веса бойка;
В свою очередь гидроударные механизмы одинарного действия подразделятся на:
1.1 Гидроударные механизмы с прямым активным ходом, характеризующиеся тем, что в них эффективная энергия от источника отбирается на рабочем ходе. При этом часть ее передается бойку, а часть накапливается в пружине, за счет которой обеспечивается холостой ход.
1.2 Гидроударные механизмы обратного действия, характеризующиеся тем, что в них энергия потока отбирается на холостом ходе бойка и накапливается, в основном, в пружине ( упругом элементе) в виде потенциальной энергии сжатия. Разгон бойка и удар его по наковальне осуществляется под действием веса бойка и энергии упругого элемента. Подъем происходит под действием давления жидкости, поступление которой в рабочую полость цилиндра регулируется распределительным устройством.
2. Гидроударные механизмы двойного действия, с двумя рабочими полостями цилиндра, у которых возвратно – поступательное движение бойка обеспечивается энергией потока жидкости без участия пружин.
Гидроударные механизмы двойного действия по исполнению гидродвигателя и характеру рабочего процесса разделяют на два основных вида.
К первому можно отнести гидроударные механизмы, у которых имеются две рабочие полости цилиндра, контролируемые водораспределительными устройствами.
Ко второму – гидроударные механизма со ступенчатым (дифференциальным) поршнем, разделяющим цилиндр на две камеры, из которых только одна контролируется водораспределительным устройством.
Рассмотрим устройства относящиеся к механизмам двойного действия с дифференциальным поршнем.
Гибровибратор ГВ – 89 состоит из верхнего  переходника 1, втулки 16, кла-панной коробки 3, на которую навинчивается цилиндр 5, впускного клапана 2, хвостовик ко-торого имеет скользящую посадку с выпускным клапаном 4, бойка 13, в верхнем сверлении
которого размещены клапанная пружина 9 и хвостовик выпускного клапана, раскрепляемый с помощью вильчатого вкладыша 6 и накидной гайки 7; поршня (литой манжеты) 8, корпусов 10 и 12, верхней 11 и нижней 15 наковален, уплотнения 14.
Работа гидровибратора сводится к следующему: в исходном положении боек 13 под действием собственного веса находится в крайнем нижнем положении. Впускной клапан 2 закрыт, а выпускной 4 открыт. Вода, подаваемая от бурового насоса по бурильным трубам к верхнему переходнику 1, поступает через втулку 16 и канал «б» и далее, по зазору между корпусом 10 и цилиндром 5, под поршень 8, вызывая силой своего давления подъем бойка 13.
Жидкость, находящаяся над поршнем, вытесняется через каналы «а» и «в» в скважину. В период подъема клапанная группа остается в исходном положении за счет давления жидкости на впускной клапан 3. По мере подъема поршня - бойка пружина 9 упирается в хвостовик выпускного клапана и начинает сжиматься.
Поршень, пройдя расстояние S , встречается с выпускным клапаном 4, нанося по нему удар – фаза разгона бойка на рабочем ходе .
За счет энергии удара и силы сжатой пружины выпускной клапан 4 закрывает смещенные каналы «в» клапанной коробки, а впускной клапан 3, перемещаясь вверх, открывает канал «в», обеспечивая доступ жидкости и в верхнюю полость цилиндра 5.
В период перестановки клапанов боек на пути 0,5 продолжает движение вверх, за счет накопленной энергии на фазе разгона, до встречи с верхней наковальней 11 – фаза перестановки клапанов и свободного хода бойка вверх.
Так как площадь поршня со стороны верхней полости цилиндра больше чем площадь со стороны его нижней полости, боек 13 устремится вниз. Перемещение бойка под действием давления жидкости продолжается на пути, соответствующему расстоянию S=0,5 Sк - фаза разгона бойка при ходе вниз. При этом клапанный блок сохранит свое верхнее положение за счет давления воды на выпускной клапан 4. В момент, когда вкладыш 6 захватит хвостовик клапана 4, произойдет перестановка клапанов в исходное положение. В период перестановки клапанов боек на пути = Sк продолжает движение вниз за счет накопленной энергии на фазе раз-гона, до встречи с нижней наковальней 15 – фаза перестановки клапанов и свободного хода бойка вниз.
В периоды перестановки клапанов боек наносит удары либо по верхней наковальне 11 (при движении вверх), либо по нижней наковальне 15 (при перемещении вниз), формируя
ударные импульсы в прихваченном снаряде. Далее цикл работы механизма.
Недостатком рассмотренного гидровибратора является то, что впускной клапан полно-стью воспринимает скоростной напор промывочной жидкости и для запуска его необходимо дополнительное устройство, позволяющее плавно наращивать подачу насоса и резко сбрасы-вать давление в нагнетательной линии. Кроме того, такие машины не могут включаться в со-став бурового снаряда и используются только после отсоединения свободной
части колонны от прихваченного бурового снаряда.
Рассмотрим устройства относящиеся к механизмам одинарного действия с прямым активным ходом.
Гидроударник ГБМК-2 показан в положении спуска в скважину. При этом долото 12, имеющее продольные шлицевые пазы, выполненные на хвостовике 11, перемещается вниз до упора в  шлицевую втулку 10.
Вследствие этого пята 9 и вместе с ней боек 8 и соединительная труба 7 с поршнем 4 также опускаются. Так как клапан 3 усилием пружины 2 поддерживается в крайнем верхнем положении, между ним и поршнем образуется щель, через которую жидкость, нагнетаемая с поверхности через колонну бурильных труб, свободно проходит на забой скважины.
При постановке долота на забой скважины поршень 4 соприкасается с клапаном 3, и перекрывает поток. Над клапаном резко возрастает давление.
Система, состоящая из клапана 3 и поршня 4 с бойком 8, опускается вниз, и одновременно сжимаются пружины 2 и 6.
При дохождении заплечиков «а» клапана 3 до упора в направляющую втулку 13, установленную в корпусе переходника 1, клапан останавливается, и отрывается от поршня, освобождая проход жидкости в скважину. Поршень с бойком продолжают движение, и послед-ний наносит удар по хвостовику долота. В дальнейшем клапан 3 отбрасывается пружиной 2 в верхнее положение. Под влиянием отскока и усилия пружины 6 система поршень-боек также возвращается в исходное положение, и при соприкосновении с клапаном цикл повторяется.
В конструкции ГМБК-2 введено приспособление, названное гидроаккумулятором, которое состоит из дополнительного поршня 5, концентрично установленного в центре основного поршня 4 и опирающегося на общую силовую пружину 6. Гидроаккумулятор обеспечивает снижение максимума давления жидкости при гидравлическом ударе и более равномерное его изменение в процессе разгона бойка, в связи с тем, что, облегчаются условия ра-боты отдельных узлов и деталей машины.
Рассмотрим гидроударную машины относящуюся к гидроударным механизмам одинарного действия с обратным активным ходом.
Как правило, такие гидроударники выполняются со связью надпоршневого пространства с затрубным через канал в бойке.
На рисунке приведена принципиальная схема гидроударника фирмы «Галф Ойл Кор- порейшин».
 Элементы машины (рис.а) находятся в положении, соответствующему спуску гидроударника в скважину. Наковальня находится в нижнем положении, удерживаясь на внутреннем выступе корпуса. Жидкость из колонны бурильных труб через переходник 1 свободно проходит через полости 3 и 5, боковые отверстия 14, канал 16 в клапане 6, канал 19 в бойке 10 и каналы 20 и 21 в наковальне 11 и долоте 12. При таком положении элементов машина не работает.
При постановке инструмента на забой (рис.б ) долото с бойком и клапаном поднимаются, перекрывая проход жидкости через каналы 14. В камере резко повышается давление (по закону гидравлического удара).
При давлении жидкости на нижнюю полость поршня 7 образуется подъемная сила, под влиянием которой боек 10 перемещается вверх. При этом сжимаются пружины 2 и 9. Когда клапан подходит к нижней кромке корпуса клапана 4, полость 15 через боковые каналы 17 сообщается с камерой пониженного давления 13, которая соединена с полостью скважины. Верхняя ступенька тарелки клапана 18 перекрывает камеру 15 и, под давлением жидкости на заплечики тарелки клапана 18 последний отрывается от поршня, освобождая проход жидкости в скважину. Этот период сопровождается резким падением давления в машине – фаза разгона бойка на холостом ходе.
Боек усилием предварительно сжатой пружины 9 падает вниз – фаза рабочего хода бойка.
В крайнем нижнем положении боек наносит удар по наковальне 11, жестко связанной с до-лотом 12 . В это время клапан 6 усилием пружины 2 возвращается в нижнее исходное поло-жение – фаза удара по наковальне и простоя в этом положении в ожидании закрытия клапа-на. Цикл повторяется.
Гидроударник ЗУГ-1 имеет менее сложное распределительное устройство по сравнению с выше
 рассмотренным механизмом.
Отличительной особенностью конструкции ЗУГ-1 является наличие клапана 3, расположенного в седле 4, которое установлено в неподвижном цилиндре 2, при этом клапан открывается ударом толкателя, крепленного на поршне 6.
На рис. показан момент, когда клапан 3 закрыт, и под действием давления происхо-дит подъем бойка 8.
Рабочий цикл гидроударника состоит из четырех фаз. Первая – закрытие клапана 3 под действием обтекающего (скоростного) потока жидкости. Вторая – подъем бойка вверх при закрытом клапане под действием давления жидкости. Третья – движение бойка вверх по
инерции после открытия клапана. Четвертая – рабочий ход бойка вниз и удар по наковальне 9.
Гидроударник ГБМС- 5М обратного действия с инерционным подпружиненным клапаном.
 Через верхний переходник 1гидроударник соединяется с бурильными трубами. Ниже расположен поршень 6, являющийся одновременно и клапаном, который перемещается в цилиндре 5. Между цилиндром и корпусом 2 имеется кольцевой канал для прохода промывоч-ной жидкости. Шток 4 является ограничителем хода клапана вниз.
Ударная часть состоит из седла клапана 7, соединенного через шток 10 с бойком 14. Переходник 12 и втулка 11 ограничивают ход ударной части вверх. Наковальня 15 через переходник 17 соединяется с колонковым набором.
Направляющая 8 седла клапана разделяет камеру высокого давления с полостью низкого давления, которая через каналы в наковальне соединена с затрубным пространством.
При постановке гидроударника на забой скважины наковальня перемещается в корпусе машины до упора переходника 17 в шлицевую муфту 16, и пружина 9 дополнительно сжимается.
При подаче промывочной жидкости под действием повышающегося давления в цилиндре 5 на поршень 6 система ударной части и клапана перемещается вверх, сжимая пружины 3 и 9. Движение продолжается до упора буртов втулки 11 в переходник 12 корпуса. Шток 10 с клапаном останавливается, и под действием сил инерции поршень-клапан 6 отрывается от седла 7. Образующийся щелевой зазор соединяет камеры высокого и низкого давления, промывочная жидкость свободно проходит на забой скважины, а подъем бойка прекращается.
Под действием энергии сжатой пружины 9, боек опускается вниз до соударения с наковальней 15. Одновременно под действием усилия пружины 3 и собственного веса поршень-клапан также перемещается вниз и в конце хода перекрывает седло 7, возбуждая гидравлический удар. После этого цикл повторяется в той же последовательности.
Содержание работы
Описание устройства
Усовершенствованное гидравлическое устройство состоит из корпуса 18, в котором расположен ударник 4 с центральным 12 и боковыми 6 каналами, взаимодействующий с наковальней 8, находящейся в переводнике 7. Ударник 4 подпружинен посредством пружины 10, которая упирается в упор нижнего переводника 11. На ударнике имеются уплотнительные манжеты 21.
На нижнюю часть ударника накручивается поршень 17, который в снятом положении позволяет установить внутрь ударника пусковой клапан 5, с его корпусом 14. Закреплается пусковой клапан срезным штифтом, который устанавливается во втулку 15, вкрученную в ударник.
В верхней части ударника 4, в его центральном проходном канале 12 имеется седло под шарик 16, перекрывающий канал 12.
В упор переводника 7 упирается пружина 9, которая подпружинивает клапан 3, установленный в корпусе клапана 19. На корпус клапана 19 накручивается сверху переходник 20.
При постоянном расположении устройства в компановки бурильной колонны пусковой клапан 5 открыт и перекрывает боковые отверствия 6. Шарик 16 отсутствует. Поток бурового роствора циркулирует через центральный проходной канал 12 ударника 4.
Принцип действия
Увеличивают подачу промывочной жидкости для срабатывания пускового клапана 5. Затем в системе создают давление и ударник 4 сжимая пружину 10 перемещается вниз до втулки 13, при этом корпус пускового клапана 14 срезает штифт 23 и садится на упор в поршне 17. Боковые каналы 6 ударника 4 открываются, давление в системе падает и буровой раствор через отверстия поступает в затрубное пространство. Ударник 4 под действием пружины 10 возвращается в исходное положение. С поверхности спускают шарик 16, который перекрывает проходной канал 12 ударника 4. Над клапаном 3 возникает давление и клапан 3 вместе с ударником 4 перемещается вниз, сжимая пружину 10. При движении ударника 4 вниз поршень 17 вытесняет определенный объем бурового раствора из цилиндра 1, пусковой клапан 5 открывается, а вытесненный буровой раствор при наличии большого центрального канала 12 в поршне 17 поступает в тот же центральный канал 12 ударника 4 и вытесняет в затрубное пространство через боковые каналы 6 в отверстия цилиндра.
Как только ударник 4 с клапаном пройдут расстояние расстояние h1(37мм) – z(7мм) боковые окна ( не обозначены ) клапана 3 сообщаются с полостью низкого давления. Давление под клапаном 3 падает и последний возвращается в исходное положение посредством пружины 9, а ударник 4 по инерции продолжает движение вниз, после чего пружиной 10 перемещается вверх. При этом пусковой клапан 5 закрывается, тем самым закрывая проходной канал 12 поршня 17, в конце хода ударник 4 наносит удар по наковальне 8. Проход бурового раствора уменьшается и над клапаном 3 образуется перепад давления, под действием которого клапан 3 закрывается и цикл повторяется.
Преимущества разработанного механизма
Преимущество данного устройства, является то что, устройство включается в состав бурового снаряда, а также используется пусковой клапан вместо обратного. Это позволяет экономить время для пуска, так как не требуется развинчивать 2 раза колонну бурильных труб ( для сбрасывания шарика в обратный клапан и для спуска пробки, перекрывающей центральный канал ударника). Применение шарика вместо пробки с устройством для сбрасывания шарика не развинчивая колонну труб позволяет сразу отреагировать на прихват и запустить вибратор.
Список использованной литературы
1. Коломоец А.В., Ветров А.К. Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении. М., "Недра". 1977, 220с.
2. Пустовойтенко И.П. Аварии в бурении. М., "Недра". 1964, 231с.
3. Калиниченко О.И., Зыбинский П.В. Забойные буровые машины. Донецк: ДонНТУ. 2006, 222с.
4. Ясов В.Г. Теория и расчет раьочих процессов гидроударных буровых машин. М., "Недра". 1977, 153с.
5. Козловский Е.А., Кардыш В.Г. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Том 2. М., "Недра". 1984, 437с.
 |
 |
 |
 |
 |
|
|
