Автореферат
квалификационной работы магистра
"Разработка гидроударника для ликвидации прихватов с созданием
депрессии на аварийный инструмент"
Введение
Один из самых распространенных,
многообразных, сложных и трудоемких типов аварии в разведочном
бурении – прихваты. На их долю приходится до 60-80% аварийного
времени. Кроме того, обрывы, развертывания и падения инструмента
часто сопровождаются прихватами или предшествуют им.
Прихватом называется авария в
скважине, характеризующаяся частичным или полным прекращением
движения бурового инструмента, обсадных труб или приборов даже
при воздействии на них максимальных осевых усилий. Извлечь их на
поверхность при этом обычными методами невозможно.
Исследуемая группа аварий
отличается большим многообразием. В ней могут быть выделены три
типа прихватов: породоразрушающих инструментов и колонковых
наборов; бурильных колонн; обсадных труб.
Прихваты колонковых наборов и
коронок возникают одновременно и трудноотделимы друг от друга,
поэтому дальнейшая разбивка их производится вместе на следующие
виды.
1. Прихват шламом. По месту
расклинивания колонкового набора различают прихваты: верхний —
при накоплении шлама только над переходником или шламовой
трубой; боковой — при оседании шлама в кольцевом зазоре ниже
переходника; полный, когда снаряд зажат как сверху, так и по
боковой поверхности. При этом циркуляция очистного агента может
прекратиться или продолжаться. Аварии данного вида происходят во
время всех операций, когда снаряд находится в скважине: бурении;
постановке на забой; наращивании колонны и других остановках
инструмента; заклинивании керна, СПО, ликвидации обрыва и т. д.
2. Прихват горными породами
возможен при обвале стенок скважины с потерями и без потерь
промывочной жидкости, особой разновидностью которого является
обрушение ствола при внезапных и полных поглощениях; прижоге
коронок и долот; зажиме снаряда пучащимися и вязкопластичными
отложениями; расклинивании керном, растерянным по стволу
скважины или оставленным на забое; раскреплении колонкового
набора подвижными блоками горных пород с большими зеркалами
скольжения; затяжке в желоба; углублении в трещиноватых зонах,
где наблюдаются отдельные вывалы; пересечении старых выработок и
пустот, заполненных обломочным, сыпучим материалом и др.
Прихваты колонковых наборов
породой также могут быть верхними, боковыми и полными; с
прекращением и без прекращения циркуляции очистного агента. Они
возникают при всех операциях, когда инструмент размещается в
скважине.
3. Прихват осколками железа
разбуренных колонковых труб и коронок или отколовшимися
кусками муфтово-замковых соединений.
4. Прихват предметами, упавшими
в скважину.
5. Прихват глинистой коркой
(один из самых сложных) возникает под действием перепада
давления, адгезии, межмолекулярных сил притяжения и
электростатических — отталкивания, сочетания перечисленных
факторов, а также в процессе затяжек в глинистые пробки и
сальники.
[1-4,
6-8]
Для ликвидации прихватов успешно
используются гидроударные механизмы (гидровибраторы). Они
эффективны для ликвидации прихватов 1-4 вида.
Однако их использование при
ликвидации прихватов 5 вида не всегда эффективно из-за того, что
обеспечивается лишь механическое воздействие на прихваченный
снаряд без одновременного снижения давления в зоне прихвата.
Актуальность темы
Чаще всего такие прихваты
возникают при длительном нахождении в скважине колонны труб в
неподвижном состоянии. Поверхность труб, соприкасаясь с
постоянно уплотняющейся фильтрационной коркой, принимает на себя
действие перепада давления.
[9,10]
Для ликвидации таких прихватов
наиболее действенным может быть снижение гидростатического
давления в зоне прихвата в сочетании с действием осевой нагрузки
или крутящего момента.
При работе существующих ударных
механизмов создаются лишь мощные единичные удары или вибрация,
потому они мало пригодны для ликвидации таких прихватов. В связи
с этим разработка и внедрение новых эффективных методов и
технических средств предупреждения и ликвидации прихватов
является одной из актуальных проблем бурения геологоразведочных
и технических скважин.
Цель и задачи разработок и
исследований
Целью
работы является разработка конструкции гидроударника для
ликвидации прихватов бурового снаряда,
с созданием депрессии на
аварийный инструмент.
Идея работы:
Повышение эффективности аварийных работ по ликвидации прихватов,
обусловленных действием перепада давления, за счёт одовременного создания депрессии и наложения знакопеременных ударных нагрузок на прихваченный инструмент.
Для достижения поставленной цели
в работе решаются следующие задачи:
1.Разработка принципиальной схемы
гидроударника для ликвидации
прихватов с созданием депрессии на аварийный инструмент.
2.Проведение расчетов
гидроударника и его элементов; выбор рациональных параметров
механизма.
3.
Выполнение
опытно-конструкторских работ.
Объект исследований:
технические средства для
ликвидации прихватов.
Предмет исследований:
конструкции
гидроударников для ликвидации
прихватов бурового снаряда.
Методы исследований:
Поставленные задачи решались
путем проведения теоретических исследований, проведения
расчетов с помощью
программы расчетов основных параметров гидроударника,
выполнения опытно-конструкторских работ.
Апробация работы
Отдельные фрагменты работы
докладывались на следующих конференциях:
VIII
Всеукраинская научно-техническая конференция студентов
«Бурение», г. Донецк, 25 апреля 2008 года. Награждена грамотой
за лучший доклад на тему «Разработка гидроударника для
ликвидации прихватов бурового снаряда».
IX
Всеукраинская научно-техническая конференция студентов
«Бурение», г. Донецке, 23 апреля 2009 года. Награждена дипломом
за активное участие и лучший доклад на тему «Гидравлический
ударный механизм для ликвидации сложных прихватов в скважинах».
В Ивано-Франковском национальном
техническом университете нефти и газа был проведён Всеукраинский
конкурс студенческих научных работ в отрасли «Нефтяная и газовая
промышленность». Конференция проходила с 24 марта по 27 марта
2009 года.
Получен диплом за занятое
III
место во Всеукраинском
конкурсе студенческих научных работ по отрасли «Нефтяная и
газовая промышленность» в номинации «Оборудование нефтегазовой
промышленности».
Обзор исследований и
разработок по теме
Механический метод ликвидации
прихватов в настоящее время наиболее распространён при
разведочном бурении. Он имеет много разновидностей, основанных
на механическом воздействии на расклиненный снаряд. Наиболее
перспективным для разработки и внедрения следует считать
гидроударный метод, который успешно может применяться также
совместно с другими методами.
Для реализации этого метода
используються различные конструкции гидроударников.
Среди них
Усовершенствованный гидроударник конструкции ДПИ (рис.
1) [6]
Данный гидроударник может
включаться в состав снаряда в процессе проходки скважины или
спускаться в зону прихвата на бурильной колонне после
возникновения аварии. Усовершенствованный гидроударник состоит
из переходника 1, корпуса 2, впускного клапана 3 и выпускного
—
6, толкателя 4, клапанной коробки 5, хвостовика 7 выпускного
клапана, поршня 8, цилиндра 9, пружины 10, верхней наковальни 11
и нижней — 14, бойка 12 с хвостовиком 13, пружины 15, пускового
клапана 16, нижнего переходника 17.
Рисунок 1 – Усовершенствованный
гидроударник конструкции ДПИ
В корпусе 2 в исходной позиции
боек 12 с хвостовиком 13 под действием веса занимает крайнее
нижнее положение, поэтому впускной клапан 3, расположенный в
клапанной коробке 5, закрыт, а выпускной 6
— открыт. При подаче
насосом промывочной жидкости, она через каналы переходника 1
поступает в нижнюю полость цилиндра 9 и поднимает поршень 8
вместе с бойком 12 вверх. По мере подъема поршня-бойка пружина
10 сжимается, так как блок клапанов удерживается в исходной
позиции вследствие давления жидкости на впускной клапан 3.
В верхнем положении поршень 8
наносит удар по клапану 6, что вызывает перестановку клапанов:
впускной клапан 3, связанный с выпускным клапаном 6 толкателем
4, откроется, а выпускной клапан 6 — закроется. В момент
перестановки боек 12 нанесет удар по верхней наковальне 11. При
таком расположении клапанов промывочная жидкость поступает и в
верхнюю полость цилиндра 9. Поскольку рабочая площадь поршня
сверху больше, чем снизу, то поршень-боек устремится вниз, при
этом клапанный блок удерживается в верхнем положении за счет
давления жидкости на выпускной клапан 6. Поршень 8, перемещаясь
вниз, захватит хвостовик 7 клапана 6 и переместит клапанный блок
в исходное положение. Одновременно боек 12 нанесет удар по
нижний наковальне 14. Удары по верхней и нижней наковальням
передаются прихваченному снаряду, возбуждая в нем вынужденные
колебания. Благодаря вибрационному эффекту в зоне прихвата
снаряд освобождается и извлекается на поверхность или, если
позволяют геолого-технические условия, продолжается процесс
бурения. При включении механизма в состав снаряда необходимо,
чтобы пусковой клапан 16 был открыт и обеспечивал проход
промывочной жидкости на забой скважины в процессе ее углубления,
что достигается выбором жесткости пружины 15 и регулированием ее
предварительного натяжения. Закрытие клапана 16 при запуске
машины произойдет вследствие повышения расхода промывочной
жидкости, что вызовет увеличение скоростного напора на клапан
16, который, преодолевая сопротивление пружины 15, садится в
седло и перекрывает канал переходника 17. Изменяя
предварительное натяжение или жесткость пружины 15, легко
добиться закрытия пускового клапана 16 при любом заданном
расходе промывочной жидкости.
Включение механизма в состав
бурового снаряда для оперативного его применения увеличивает
вероятность и ускоряет процесс ликвидации даже самых сложных и
тяжелых прихватов. Сокращаются затраты времени на
вспомогательные операции, так как отпадает необходимость в
отсоединении свободной части колонны, извлечении ее на
поверхность, спуске на ней механизма в скважину и соединении с
прихваченным колонковым набором.
Но данный гидроударник
малоэффективен для ликвидации прихватов, возникающих под
действием перепада давления,
так как не обеспечивает снижение давления в зоне прихвата.
Гидроударник для снижения
гидростатического давления бурового раствора в скважине.
[5]
В целях снижения
гидростатического давления или создания перетока жидкости из
затрубного пространства во внутритрубное, при одновременном
воздействии высокочастотными ударами, может быть применен
гидравлический ударный механизм, представленный на рис.2. Механизм включает корпус 1, внутри которого на пружине 2 установлен
ударник 3 с центраторами. Над ударником 3 размещен клапан 4 на
пружине 5. Нижняя часть ударника 3 выполнена в виде всасывающего
поршня 6, расположенного в камере между двумя обратными
клапанами, в центральном канале ударника 3 установлена конусная
втулка 7, перекрывающая боковые каналы ударника 3, через
которые внутритрубное пространство сообщается с затрубным. В
верхней части ударника 3 размещается пробка 9, перекрывающая его
центральный канал. На ударнике 3 установлено уплотнение. Для
снижения давления в нижней части ствола скважины под механизмом
устанавливается манжетный переводник 11. Его манжеты отделяют
нижний столб жидкости от верхнего, прижимаясь к колонне труб или
стенкам скважины 12. Манжетный переводник 11 устанавливают в
устойчивых частях ствола скважины или в колонне труб, чтобы
плотно перекрыть стенки скважины. Клапан 4 выполнен в виде
полого цилиндра с боковыми окнами и установлен с гарантированным
зазором по отношению к выступу корпуса 1. Это способствует
поддержанию определенного перепада давления бурового раствора и
снижению высоких пиков гидравлических импульсов давления. Места
истечения бурового раствора термически обработаны или покрыты
износостойким материалом. В корпусе 1 нет подвижных разъемов.
Нижней наковальней служит выступ 13 нижней части корпуса 1, в
котором сделаны каналы для выхода бурового раствора в затрубное
пространство, а верхней - фрезерованные выступы в корпусе 1. В
нижней части корпуса устанавливают шар, который перекрывает
центральный канал.
Механизм работает следующим
образом:
Втулка 7 перекрывает боковые
отверстия в ударнике 3. Поток бурового раствора циркулирует
через центральный канал ударника 3.
При возникновении прихвата с
потоком сбрасывают шары, которые устанавливаются в нижней части
корпуса и во втулке 7 и перекрывает проход для бурового
раствора. Затем в системе создают давление; ударник 3, сжимая
пружину 2, перемещается вниз, втулка 7 плотно садится в конусное
гнездо поршня 6 или разрушается ее верхняя часть. Боковые каналы
в ударнике 3 оказываются открытыми. Давление в системе падает,
буровой раствор через каналы в корпусе 1 поступает в затрубное
пространство. Ударник 3 под действием пружины 2 возвращается в
исходное положение. С поверхности спускают пробку 9, которая
перекрывает центральный канал ударника 3. Поток бурового
раствора направляется через зазор. При определенной скорости
истечения жидкости через этот зазор над клапаном 4 возникает
давление, под действием которого клапан закрывается, сжимая
пружину 5. Под действием создаваемого давления гидравлического
удара клапан 4 вместе с ударником 3 перемещается
вниз, сжимая пружину 2. При движении ударника 3 вниз, поршень 6
вытесняет определенный объем бурового раствора, шар 8
поднимается вверх (шар 15 находится внизу), а вытесняемый
буровой раствор при наличии большого центрального канала в
поршне 6 поступает внутрь ударника 3 и вытесняется в затрубное
пространство. Затем боковые окна в клапане 4 сообщаются через
фрезерованные пазы в корпусе 1 с зоной низкого давления.
Давление над клапаном 4 падает, и он пружиной 5 возвращается в
исходное положение, а ударник 3 по инерции продолжает движение
вниз до нижней наковальни 13 (при соответствующей настройке),
наносит удар по ней и пружиной 2 перемещается вверх. При этом
шар 8 закрывает отверстие в центральном канале поршня 6, а шар
15 открывает отверстие в корпусе. Объем, занимаемый поршнем 6,
освобождается, давление под ним снижается, шар 15 поднимается
и жидкость из нижней части труб поступает под поршень. В конце
хода ударник 3 (при соответствующих настройке и режиме работы)
наносит удар по верхней наковальне 14.
Таким образом, на прихваченную в
скважине часть бурильной колонны воздействуют высокочастотные
динамические удары при одновременном снижении гидростатического
давления на эту часть колонны (при наличии манжетного
переводника).
При работе механизма частота
циклов перемещения ударника составляет 10-30 Гц. [11]
Основным недостатком этого
гидроударника является кратковременное периодическое снижение
давления в зоне прихвата при ликвидации аварий, а также наличие
силовой пружины для перемещения бойка, что снижает надёжность
работы гидроударника.
Рисунок 2 – Гидроударник
для снижения гидростатического давления бурового раствора в
скважине
Подобные устройства эффективны
для ликвидации прихватов, возникающих под действием перепада
давления между скважиной и проницаемым пластом, в результате
чего часть бурового снаряда «прилипает» к стенке скважины. На
основе известного гидроударника, разработанного в ДонНТУ,
предложена схема гидроударника для ликвидации прихватов.
Основное содержание работы
В работе предложена принципиально
новая схема гидравлического ударного механизма, для ликвидации
сложных прихватов в скважине, обусловленных разницей
гидростатического и пластового давления.
Устройство состоит из
гидроударника двойного действия с насосным блоком и пакера с
раздуваемой камерой, выполненного ограниченно подвижным
относительно гидроударника. Схема устройства представлена на
рис. 3а.
Гидроударник состоит из верхнего
переходника 1, корпуса 2, внутри которого установлена клапанная
коробка 3 с цилиндром 4, в котором размещен поршень 5,
соединённый с бойком 6. Боёк 6 установлен между верхней и нижней
наковальнями 7 и 8, соединённых с корпусом 2. В состав насосного
блока входит шток 9, соединённый с бойком 6, а также всасывающий
и нагнетательный насосные клапана 10 и 11. В нижней части
наковальни 8 имеется переходник 12 для соединения с аварийным
инструментом. Клапанная группа гидроударника состоит из
впускного 13 и выпускного 14 клапанов, соединённых толкателем
15.
В верхней части гидроударника,
для соединения с бурильными трубами, установлен полый шток 16 с
отверстием 17, а сам гидроударник снабжён кожухом 18.
Пакер состоит из раздуваемой
камеры 19 и корпуса 20, установленного подвижно относительно
штока 16. Полость раздуваемой камеры 19 связана с полостью штока
отверстием 17 и каналом 21, а полость кожуха 18 гидроударника
соединена со скважиной выше пакера каналами 22 и 23. Корпус 20
снабжён патрубком 24, установленным в кожухе 18, в нижней части
которого выполнен ограничитель 25. В исходном положении патрубок
24 зафиксирован относительно кожуха 18 срезным штифтом 26.
Расположение механизма в скважине и схема его работы показаны
на рис. 3б и 3в. Направление движения жидкости в устройстве при
его работе указано стрелками.
Рисунок 3 – Гидравлический
ударный механизм для ликвидации сложных прихватов в скважинах.
а – схема устройства, б – расположение механизма в скважине, в
– схема работы механизма
Устройство присоединяется к
прихваченному снаряду. Рабочая жидкость подаётся к
гидроударнику по колонне бурильных труб. Срабатывает пакер и
отделяет зону прихвата от остальной скважины. В системе
возрастает давление, гидроударник запускается в работу и
наносит удары, передающиеся на прихваченный снаряд.
Работа гидроударника, являющегося генератором ударных импульсов,
сводится к следующему. В исходном положении боёк 6 под
действием собственного веса находится в крайнем нижнем
положении. Впускной клапан 13 закрыт, а выпускной 14 открыт.
Промывочная жидкость, подаваемая от бурового насоса по шлангу к
переходнику 1, поступает под поршень 5, вызывая силой своего
давления подъем поршня-бойка.
Жидкость, находящаяся над поршнем
5, вытесняется через смещенные осевые каналы клапанной коробки
в полость кожуха гидроударника. В период хода бойка вверх
клапанная группа остается в исходном положении за счет давления
жидкости на впускной клапан 13. По мере подъема поршня-бойка
пружина, упираясь в хвостовик выпускного клапана 14, сжимается.
Поршень встречается с выпускным
клапаном 14 и наносит по нему удар. За счет энергии удара и силы
сжатой пружины выпускной клапан 14 закрывает смещенные осевые
каналы клапанной коробки 3, а впускной клапан 13, перемещаясь
вверх, откроет центральный канал клапанной коробки, обеспечив
доступ жидкости и в верхнюю полость цилиндра 4.
Так как площадь поршня со стороны
верхней полости цилиндра больше, чем его площадь со стороны
нижней полости, боёк 6 устремится вниз. При этом клапанная
группа сохранит свое верхнее положение за счет давления воды на
выпускной клапан 14. В момент, когда поршень захватит хвостовик
клапана 14, произойдет перестановка клапанов в исходное
положение. Далее цикл работы гидроударника повторится.
В периоды перестановки клапанов
боёк, за счет накопленной энергии, продолжает движение вверх или
вниз до соударения с наковальнями 7 и 8.
При ходе бойка 6 вверх
происходит всасывание жидкости из скважины через всасывающий
клапан насосного блока 10 в пространство под штоком, а при ходе
штока вниз жидкость будет выбрасываться через нагнетательный
клапан 11 в зону над пакером.
Исполнение конструкции позволяет
перемещаться гидроударнику на бурильных трубах относительно
пакера, что обеспечивает возможность перемещения прихваченного
снаряда в случае ликвидации прихвата.
Рисунок 4 – Рабочий цикл гидроударника
(анимация: объем – 100 кбайт; размер
– 122х458;
состоит из 12 кадров; задержка между кадрами – 10 мс; задержка
между последним и первым кадрами – 10 мс; количество циклов повторения – бесконечно)
Разработанный механизм,
обеспечивающий в процессе работы снижение давления в зоне
прихвата, имеет преимущества:
1. При работе обеспечивается
нанесение ударов вниз и вверх;
2. Обеспечивается постоянное
долговременное снижение давления в зоне прихвата.
С помощью программы расчетов
основных параметров гидроударника, были приняты рациональные
параметры механизма. Методика инженерного расчета параметров
гидроударников двойного действия основана на общих положениях
теории работы гидроударника.
После проведения расчетов,
были приняты рациональные параметры гидроударника:
Ход бойка – 25 мм;
Рабочий ход – 22 мм;
Свободный ход – 3 мм.
Интерфейс программы расчёта
параметров представлен на рис. 5.
Рисунок 5 – Интерфейс программы
расчёта энергетических параметров гидравлического ударного
механизма для ликвидации сложных прихватов в скважинах
Для расчета пакера за основу
была принятая методика Жукова, в которой уточненная формула для
расчета давления, необходимого для раздутия камеры к контакту со
стенками скважины. Расчет пакера проводился для условий
неглубокого геологоразведочного бурения, когда перепад давления
на пакере составляет 5 МПа.
Выводы
В данной работе предложена схема
гидроударника для ликвидации прихватов бурового снаряда.
Были приняты рациональные
параметры механизма.
Проведены расчеты параметров
пакера.
Предполагается, что внедрение
предложенного устройства позволит обеспечить более высокую
результативность в ликвидации прихватов, а также сократит время
на их ликвидацию.
Список использованных
источников
1. Винниченко В.М. Предупреждение и ликвидация аварий и
осложнений при бурении разведочных скважин:
учебное пособие для
учащихся профтехобразования и рабочих на производстве / В.М.
Винниченко, А.Е. Гончаров, Н.Н. Максименко. – М.:
Недра, 1991.
–
170 с.
2. Гончаров А.Е.
Пособие бурильщику и мастеру по предупреждению и ликвидации
аварий и осложнений при разведочном бурении/
А.Е. Гончаров, В.М.
Винниченко. – М.: Недра, 1987.
– 128 с.
3. Дудля Н.А. Предупреждение и ликвидация аварий при бурении:
учебное пособие.
–
[2-е изд.]
/ Н.А.
Дудля, С. Стричёк, И.Р.
Островский. –
Донецк: Лира ЛТД, 2007. – 328 с.
4. Кемп Г. Ловильные работы в
нефтяных скважинах. Техника и технология: переработанное с
английского / Г. Кемп, переработал: Г.П. Шульженко. – М.: Недра, 1990. –
96 с.
5. Кичигин А.В.
Ликвидация прихватов бурильной колонны с использованием ударных
механизмов /
А.В. Кичигин, В.И.
Назаров. – М.: ВНИИОЭНГ, 1982. – 60 с.
6. Коломоец А.В. Предупреждение и
ликвидация прихватов в разведочном бурении / А.В.
Коломоец. – М.: Недра, 1985.
– 220 с.
7. Подгорнов М.И. Ловильный инструмент:
учебное пособие для рабочих / М.И.
Подгорнов, И.П. Пустовойтенко. – М.:
Недра, 1984. –
148 с.
8. Пустовойтенко И.П.
Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. –
[3-е издание,
переработанное и дополненное]
/ И.П. Пустовойтенко. – М.: Недра, 1988. – 279 с.
9. Самотой А.К. Предупреждение и
ликвидация прихватов труб при бурении скважин / А.К.
Самотой. – М.: Недра,
1979.
–
182 с.
10. Самотой А.К. Прихваты колонн
при бурении скважин
/ А.К. Самотой. – М.: Недра, 1984.
– 205 с.
11.
Парфенюк С.Н. Разработка гидроударника дифференциального
действия с усовершенствованной клапанной группой [Электронный
ресурс]
/ –
режим доступа к статье
http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2003/ggeo/parfenyuk/library/gidroud.htm
Автореферат