Антецька Анастасія Михайлівна

Автореферат

кваліфікаційної роботи магістра

"Розробка гідроударника для ліквідації прихватів зі створенням депресії на аварійний інструмент"

 

ВСТУП

 

Один з найпоширеніших, багатообразних, складних і трудомістких типів аварії в розвідувальному бурінні – прихвати. На їх частку доводиться до 60-80% аварійного часу. Крім того, обриви і падіння інструменту часто супроводжуються прихватами або передують їм.

Прихватом називається аварія в свердловині, що характеризується частковим або повним припиненням руху бурового інструменту, обсадних труб або приладів навіть при дії на них максимальних осьових зусиль. Витягнути їх на поверхню при цьому звичайними методами неможливо. Прихват характеризується силою і тяжкістю.

 Досліджувана група аварій відрізняється великим різноманіттям. У ній можуть бути виділені три типу прихватів: породоруйнуючих інструментів і колонкових наборів; бурильних колон; обсадних труб.

 Прихвати колонкових наборів і коронок виникають одночасно, тому подальше розбиття їх проводиться разом на наступні види.

 1. Прихват шламом. По місцю розклинювання колонкового набору розрізняють прихвати: верхній – при накопиченні шламу тільки над перехідником або шламовою  трубою; бічний – при осіданні шламу в кільцевому зазорі нижче за перехідник; повний, коли снаряд затиснутий як зверху, так і по бічній поверхні. При цьому циркуляція очисного агента може припинитися або продовжуватися. Аварії даного виду відбуваються під час всіх операцій, коли снаряд знаходиться в свердловині: бурінні; постановці на вибій; нарощуванні колони і інших зупинках інструменту; заклинюванні керна, СПО, ліквідації обриву і т.д.

 2. Прихват гірськими породами можливий при обвалі стінок свердловини з втратами і без втрат промивальної рідини, особливим різновидом якого є обвал стовбура при раптових і повних поглинаннях; затиску снаряду в'язкопластичними відкладеннями; розклинюванні керном, розгубленим по стовбуру свердловини або залишеним на вибої; розкріплюванні колонкового набору рухомими блоками гірських порід; затягуванню в жолоби; поглибленні в тріщинуватих зонах, де спостерігаються окремі вивали; перетини старих виробок і порожнеч, заповнених уламковим, сипким матеріалом і ін..

 Прихвати колонкових наборів породою також можуть бути верхніми, бічними і повними; з припиненням і без припинення циркуляції очисного агента. Вони виникають при всіх операціях, коли інструмент розміщується в свердловині.

 3. Прихват уламками заліза, розбурених колонкових труб і коронок або шматками муфтово-замкових з'єднань, що відкололися.

 4. Прихват предметами, що впали в свердловину.

 5. Прихват глинистою кіркою (один з найскладніших) виникає під дією перепаду тиску, адгезії, міжмолекулярних сил тяжіння і електростатичних – відштовхування, поєднання перерахованих чинників, а також в процесі затягувань в глинисті пробки і сальники. [1-4,6-8] 

 Для ліквідації прихватів успішно використовуються гідроударні механізми (гідровібратори). Вони ефективні для ліквідації прихватів 1-4 виду.

 Проте їх використання при ліквідації прихватів 5 виду не завжди ефективно через те, що забезпечується лише механічна дія на прихоплений снаряд без одночасного зниження тиску в зоні прихвату.

 Актуальність теми

Найчастіше такі прихвати виникають при тривалому знаходженні в свердловині колони труб в нерухомому стані. Поверхня труб, притискаючись до фільтраційної кірки, що постійно ущільнюється, приймає на себе дію перепаду тиску. [9,10]

 Для ліквідації таких прихватів найбільш дієвим може бути зниження гідростатичного тиску в зоні прихвата в поєднанні з дією осьового навантаження або обертального моменту. При роботі існуючих ударних механізмів створюються лише потужні одиничні удари або вібрація,  тому вони мало придатні для ліквідації таких прихватів. В зв’язку з цим  розробка і впровадження нових ефективних методів і технічних засобів попередження і ліквідації прихватів є однією з актуальних проблем буріння геологорозвідувальних і технічних свердловин.

При роботі існуючих ударних механізмів створюються лише потужні одиничні удари або вібрація,  тому вони мало придатні для ліквідації таких прихватів. В зв’язку з цим  розробка і впровадження нових ефективних методів і технічних засобів попередження і ліквідації прихватів є однією з актуальних проблем буріння геологорозвідувальних і технічних свердловин.

Мета і завдання розробок і досліджень

 

 Метою роботи є розробка конструкції гідроударника для ліквідації прихватів бурового снаряда, зі створенням депресії на аварійний інструмент.

 Ідея роботи: Підвищення ефективності аварійних робіт по ліквідації прихватів, зумовлених дією перепаду тиску, за рахунок одночасного створення депресії і накладання знакозмінних ударних навантажень на прихоплений інструмент.

 Для досягнення поставленої мети в роботі розв'язуються наступні задачі:

 1.Розробка принципової схеми гідроударника для ліквідації прихватів зі створенням депресії на аварійний інструмент.

 2.Проведення розрахунків гідроударника та його елементів; вибір раціональних параметрів механізму.

 3. Виконання дослідно-конструкторських робіт.

 Об'єкт досліджень: технічні засоби для ліквідації прихватів.

 Предмет досліджень: конструкції гідроударників для ліквідації прихватів бурового снаряда.

 Методи досліджень: Поставлені завдання розв'язувалися шляхом проведення теоретичних  досліджень, проведення розрахунків за допомогою програми розрахунків основних параметрів гідроударника, виконання дослідно-конструкторських робіт.

 

 Апробація роботи

 Окремі фрагменти роботи докладалися на наступних конференціях:

VIII Всеукраїнська науково-технічна конференція студентів «Буріння», що проходила в м. Донецьку 25 квітня 2008 року. Нагороджена грамотою за кращу доповідь на тему «Розробка гідроударника для ліквідації прихватів бурового снаряда».

          IX Всеукраїнська науково-технічна конференція студентів «Буріння», що проходила в м. Донецьк 23 квітня 2009 року. Нагороджена дипломом за активну участь і кращу доповідь на тему «Гідравлічний ударний механізм для ліквідації складних прихватів в свердловинах».

 У Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу був проведений Всеукраїнський конкурс студентських наукових робіт в галузі «Нафтова і газова промисловість». Конференція проходила з 24 березня по 27 березня 2009 року. Отримала диплом за зайняте III місце у Всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт по галузі «Нафтова і газова промисловість» в номінації  «Устаткування нафтогазової промисловості».

 

 

Огляд досліджень і розробок по темі

 

Механічний метод ліквідації прихватів в даний час найбільш поширений при розвідувальному бурінні. Він  має багато різновидів, заснованих на механічній дії на прихвачений снаряд. Вельми перспективним для розробки і впровадження слід рахувати гідроударний метод, який успішно може застосовуватися також спільно з іншими методами.

Для реалізації цього методу використовуються різні конструкції гідроударників.

Вдосконалений гідроударник конструкції ДПІ (рис. 1) [6]

 Цей гідроударник може включатися до складу снаряда в процесі проходки свердловини або спускатися в зону прихвата на бурильній колоні після виникнення аварії. Вдосконалений гідроударник складається з перехідника 1, корпуса 2, впускного клапана 3 і випускного – 6, штовхача 4, клапанної коробки 5, хвостовика 7 випускного клапана, поршня 8, циліндра 9, пружини 10, верхнього ковадла 11 і нижнього 14, бойка  12 з хвостовиком 13, пружини 15, пускового клапана 16, нижнього перехідника 17.

Рисунок 1 – Вдосконалений гідроударник конструкції ДПІ

  У корпусі 2 у початковій позиції бойок 12 з хвостовиком 13 під дією своєї ваги займає крайнє нижнє положення, тому впускний клапан 3, розташований в клапанній коробці 5, закритий, а випускний 6 – відкритий. При подачі насосом промивальної рідини, вона через канали перехідника 1 поступає в нижню порожнину циліндра 9 і піднімає поршень 8 разом з бойком 12 вгору. По мірі підйому поршня –бойка пружина 10 стискається, оскільки блок клапанів утримується у вихідній позиції унаслідок тиску рідини на впускний клапан 3.

У верхньому положенні поршень 8 завдає удару по клапану 6, що викликає перестановку клапанів: впускний клапан 3, пов'язаний з випускним клапаном 6 штовхачем 4, відкриється, а випускний клапан 6 – закриється. У момент перестановки бойок 12 завдасть удару по верхньому ковадлу 11. При такому розташуванні клапанів промивальна рідина поступає і у верхню порожнину циліндра 9. Оскільки робоча площа поршня зверху більша, ніж знизу, то поршень-бойок спрямується вниз, при цьому клапанний блок утримується у верхньому положенні за рахунок тиску рідини на випускний клапан 6. Поршень 8, переміщаючись вниз захопить хвостовик 7 клапана 6 і перемістить клапанний блок в початкове положення. Одночасно бойок 12 завдасть удару по нижньому ковадлу 14. Удари по верхньому і нижньому ковадлах передаються прихваченому снаряду, збуджуючи в ньому вимушені коливання. Завдяки вібраційному ефекту в зоні прихвата снаряд звільняється і витягується на поверхню або, якщо дозволяють геолого-технічні умови, продовжується процес буріння. При включенні механізму до складу снаряда необхідно, щоб пусковий клапан 16 був відкритий і забезпечував прохід промивальної рідини на вибій свердловини в процесі її поглиблення, що досягається підбором жорсткості пружини 15 і регулюванням її попереднього натягу. Закриття клапана 16 при запуску машини відбудеться внаслідок підвищення витрати промивальної рідини, що викличе збільшення швидкісного напору на клапан 16, який, долаючи опір пружини 15, сідає в сідло і перекриває канал перехідника 17. Змінюючи попередній натяг або жорсткість пружини 15, легко досягти закриття пускового клапана 16 при будь-якій заданій витраті промивальної рідини.

Включення механізму  до складу  бурового снаряда для оперативного його застосування збільшує вірогідність і прискорює процес ліквідації навіть найскладніших прихватів. Скорочуються витрати часу на допоміжні операції, оскільки відпадає необхідність у від'єднанні вільної частини колони, витяганні її на поверхню, спуску на ній механізму в свердловину і з'єднанні з прихваченим колонковим набором.

Але даний гідроударник малоефективний для ліквідації прихватів, що виникають під дією перепаду тиску, оскільки не забезпечує зниження тиску в зоні прихвату. 

 

Гідроударник для зниження гідростатичного тиску бурового розчину в свердловині [5]

 

В цілях зниження гідростатичного тиску при одночасній дії високочастотних ударів може бути застосований гідравлічний ударний механізм, представлений на рис. 2.  Механізм включає корпус 1,  усередині якого на пружині 2 встановлений ударник 3 з центраторами. Над ударником 3 розміщений клапан 4 на пружині 5. Нижня частина ударника 3 виконана у вигляді всмоктуючого поршня 6,  розташованого в камері між двома зворотніми клапанами,  в центральному каналі ударника 3 встановлена конусна втулка 7,  що перекриває бічні канали ударника 3,  через які внутрішньотрубний простір сполучається із затрубним. У верхній частині ударника 3 розміщується пробка 9, що перекриває його центральний канал. На ударнику 3 встановлене ущільнення. Для зниження тиску в нижній частині ствола свердловини під механізмом встановлюється манжетний перевідник 11. Його манжети відокремлюють нижній стовп рідини від верхнього, притискаючись до колони труб або стінок свердловини 12. Манжетний перевідник 11 встановлюють в стійких частинах стовбура свердловини або в колоні труб, щоб щільно перекрити стінки свердловини. Клапан 4 виконаний у вигляді порожнистого циліндра з бічними вікнами і встановлений з гарантованим зазором по відношенню до виступу корпусу 1. Це сприяє підтримці певного перепаду тиску бурового розчину і зниженню високих піків гідравлічних імпульсів тиску. Місця витоку бурового розчину термічно оброблені або покриті зносостійким матеріалом. У корпусі 1 немає рухомих роз'ємів. Нижнім ковадлом служить виступ 13 нижньої частини корпусу 1, в якому зроблені канали для виходу бурового розчину в затрубний простір, а верхнім – фрезеровані виступи в корпусі 1. У нижній частині корпусу встановлюють кулю, яка перекриває центральний канал.

Рисунок 2 – Гідроударник для зниження гідростатичного тиску бурового розчину в свердловині

 Механізм працює таким чином: Втулка 7 перекриває бічні отвори в ударнику 3. Потік бурового розчину циркулює через центральний канал ударника 3.

 При виникненні прихвата з потоком скидають дві кулі, які встановлюються в нижній частині корпусу і у втулці 7 і перекриває прохід для бурового розчину. Потім в системі створюють тиск. Ударник 3, стискаючи пружину 2, переміщується вниз, втулка 7 щільно сідає в конусне гніздо поршня 6 або руйнується її верхня частина. Бічні канали в ударнику 3 опиняються відкритими. Тиск в системі падає, буровий розчин через канали в корпусі 1 поступає в затрубний простір. Ударник 3 під дією пружини 2   повертається в початкове положення. З поверхні спускають пробку 9, яка перекриває центральний канал ударника 3. Потік бурового розчину прямує через зазор. При певній швидкості витоку рідини через цей зазор над клапаном 4 виникає тиск, під дією якого клапан закривається, стискаючи пружину 5. Під дією тиску гідравлічного удару клапан 4 разом з ударником 3 переміщається вниз, стискаючи пружину 2. Під час руху ударника 3 вниз поршень 6 витісняє певний об'єм бурового розчину, куля 8 піднімається вгору (куля 15 знаходиться внизу), а буровий розчин, що витісняється, за наявності великого центрального каналу в поршні 6 поступає всередину ударника 3 і витісняється в затрубний простір. Потім бічні вікна в клапані 4 сполучаються через фрезеровані пази в корпусі 1 із зоною низького тиску. Тиск над клапаном 4 падає, і він пружиною 5 повертається в початкове положення, а ударник 3 за інерцією продовжує рух вниз до нижнього ковадла 13 (при відповідній настройці),  завдає удару по ній і пружиною 2 переміщується вгору. При цьому куля 8 закриває отвір в центральному каналі поршня 6, а куля 15 відкриває отвір в корпусі. Об'єм, що займав поршень 6,  звільняється,  тиск під ним знижується,  куля 15 піднімається і рідина з нижньої частини труб поступає під поршень. В кінці ходу ударник 3 (при відповідних настройці і режимі роботи) завдає удару по верхньому ковадлу 14.

 Таким чином, на прихвачену в свердловині частину бурильної колони впливають високочастотні динамічні удари при одночасному зниженні гідростатичного тиску на цю частину колони (за наявності манжетного перевідника)   або відновленні зворотної циркуляції бурового розчину.

При роботі механізму частота циклів переміщення ударника складає 10 – 30 Гц. [11]

 Основним недоліком цього гідроударника є короткочасне періодичне зниження тиску в зоні прихвата при ліквідації аварій, а також наявність силової пружини для переміщення бойка, що знижує надійність роботи гідроударника.

 Подібні пристрої ефективні для ліквідації прихватів, що виникають під дією перепаду тиску між свердловиною і проникним пластом, внаслідок чого частина бурового снаряда «прилипає» до стінки свердловини. На основі відомого гідроударника, розробленого в ДонНТУ, запропонована схема гідроударника для ліквідації прихватів.

 

Основний зміст роботи

 

У роботі запропонована принципово нова схема гідравлічного ударного механізму, для ліквідації складних прихватів в свердловині, обумовлених різницею гідростатичного і пластового тиску.

 Пристрій складається з гідроударника подвійної дії з насосним блоком і пакера з камерою, що роздувається, виконаною обмежено рухомою відносно гідроударника. Схема пристрою представлена на рис. 3а.

 Гідроударник складається з верхнього перехідника 1, корпуса 2, усередині якого встановлена клапанна коробка 3 з циліндром 4, в якому розміщений поршень 5, з’єднаний  з бойком 6. Бойок 6 встановлений між верхнім і нижнім ковадлами 7 і 8, з’єднаних з корпусом 2. До складу насосного блоку входить шток 9, з’єднаний з бойком 6, а також всмоктувальний і нагнітальний насосні клапана 10 і 11. У нижній частині ковадла 8 є перехідник 12 для з'єднання з  аварійним інструментом. Клапанна група гідроударника складається з впускного 13 і випускного 14 клапанів, з’єднаних штовхачем 15.

 У верхній частині гідроударника для з'єднання з бурильними трубами встановлений порожнистий шток 16 з отвором 17, а сам гідроударник забезпечений кожухом 18.

 Пакер складається з камери, що роздувається,  і корпуса 20, встановленого рухомо відносно до штока 16. Порожнина  камери 19, що роздувається,  пов'язана з порожниною штока отвором 17 і каналом 21, а порожнина кожуха 18 гідроударника з’єднана зі свердловиною вище пакера  каналами 22 і 23. Корпус 20 має патрубок 24, встановлений в кожусі 18, в нижній частині якого виконаний обмежувач 25. У початковому положенні патрубок 24 зафіксований відносно кожуха 18 штифтом 26.

 Розташування механізму в свердловині  і схема його роботи показані на рис. 3б і 3в. Напрям руху рідини в пристрої при його роботі вказаний стрілками.

Пристрій приєднується до прихваченого снаряда. Робоча рідина подається  до гідроударника по колоні бурильних труб. Спрацьовує пакер і відокремлює зону прихвата від решти свердловини. У системі зростає тиск, гідроударник  запускається в роботу і завдає удари, що передаються на  прихвачений снаряд.

 Робота гідроударника, що є генератором ударних імпульсів, полягає в наступному. У початковому стані  бойок 6 під дією власної ваги знаходиться в крайньому нижньому положенні. Впускний клапан 13 закритий, а випускний 14 відкритий. Промивальна рідина, що подається від бурового насоса по шлангу до перехідника 1, поступає під поршень 5, викликаючи силою свого тиску підйом поршня-бойка.

 Рідина, що знаходиться над поршнем 5, витісняється через зміщені осьові канали клапанної коробки  в порожнину кожуха гідроударника. В період ходу бойка вгору клапанна група залишається в початковому положенні за рахунок тиску рідини на впускний клапан 13. По мірі підйому поршня-бойка пружина, упираючись в хвостовик випускного клапана 14, стискається.

а                                               б                                                в

Рисунок 3 – Гідравлічний ударний механізм для ліквідації складних прихватів в свердловинах. а – схема пристрою, б – розташування механізму в свердловині,  в – схема  роботи механізму

          Поршень зустрічається з випускним клапаном 14 і завдає по ньому удар. За рахунок енергії удару і сили стислої пружини випускний клапан 14 закриває зміщені осьові канали клапанної коробки 3, а впускний клапан 13, переміщаючись вгору, відкриє центральний канал клапанної коробки, забезпечивши доступ рідини і у верхню порожнину циліндра 4.

 Оскільки площа поршня з боку верхньої порожнини циліндра більше, ніж його площа з боку нижньої порожнини, бойок 6 спрямується вниз. При цьому клапанна група збереже своє верхнє положення за рахунок тиску рідини на випускний клапан 14. В мить, коли поршень захопить хвостовик клапана 14, відбудеться перестановка клапанів в початкове положення. Далі цикл роботи гідроударника повториться.

 У періоди перестановки клапанів  бойок, за рахунок накопиченої енергії, продовжує рух вгору або вниз до зіткнення з ковадлами 7 і 8.

 При ході бойка 6 вгору  відбувається всмоктування рідини з свердловини через всмоктуючий клапан насосного блоку 10 в простір під штоком, а при ході штока вниз рідина викидатиметься через нагнітальний клапан 11 в зону над пакером.

Виконання конструкції дозволяє переміщатися гідроударнику на бурильних трубах, відносно пакера, що забезпечує можливість переміщення прихваченого снаряда, у разі ліквідації прихвата.

Рисунок 4 – Робочий цикл гідроударника

(анімація: об'єм – 100 кбайт; розмір – 122х458; містить 12 кадрів; затримка між кадрами – 10 мс; затримка між останнім і першим кадрами – 10 мс; кількість циклів повторення – нескінченно)

 

Розроблений механізм, що забезпечує в процесі роботи зниження тиску в зоні прихвата,  має переваги:

1. При роботі забезпечується нанесення ударів вниз і вгору;

2. Забезпечується постійне довготривале зниження тиску в зоні прихвата.

За допомогою програми розрахунків основних параметрів гідроударника, були прийняті раціональні параметри механізму. Методика інженерного розрахунку параметрів гідроударників подвійної дії заснована на загальних положеннях теорії роботи гідроударника.

 Після проведення розрахунків, були прийняті раціональні параметри гідроударника:

Хід бойка – 25 мм;

Робочій хід – 22 мм;

Вільний хід – 3 мм.

 Інтерфейс програми розрахунку параметрів представлений на рис. 5.

Рисунок 5 – Інтерфейс програми розрахунку параметрів гідроударників для ліквідації прихватів в свердловинах

 Для розрахунку пакера за основу була прийнята методика Жукова, в якій уточнена формула для розрахунку тиску, необхідного для роздуття камери до контакту зі стінками свердловини.

 Розрахунок пакера проводився для умов неглибокого геологорозвідувального буріння, коли перепад тиску на пакері становить 5 МПа.

 

ВИСНОВКИ

 

В даній роботі запропонована схема гідроударника для  ліквідації прихватів бурового снаряда.

Проведені розрахунки параметрів гідроударника.

Були прийняті раціональні параметри механізму.

Проведені розрахунки параметрів пакера.

 

Передбачається, що впровадження запропонованого пристрою дозволить забезпечити більш високу результативність в ліквідації прихватів, а також скоротить час на їх ліквідацію.

 

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

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

  

В даний момент магістерська робота знаходиться у стадії розробки. Після грудня 2009 року повний текст роботи можна одержати у автора або наукового керівника.