Переходченко Алексей Александрович
Специальность: бурение скважин
РАЗРАБОТКА ЗАБИВНЫХ СНАРЯДОВ ДЛЯ ОДНОРЕЙСОВОГО БУРЕНИЯ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН НА ШЕЛЬФЕ
А.А. Каракозов, А.Н. Рязанов
Источник: Науковий вiсник НГА Украiни №3. - Донецк,2000. – с.35, С. 10-11
Для решения проблемы интенсификации морских геологоразведочных работ требуется поиск и создание новых эффективных средств отбора проб в донных отложениях, представленных нескальными горными породами. В настояще время наиболее перспективными техническими средствамиявляются пробоотборники с гидравлическим приводом - гидровибрационные буровые снаряды, обеспечивающие отбор проб на глубину до 10 метров. Их принцип действия заключается в следующем. При подаче рабочей жидкости входящий в состав снаряда гидровибратор генерирует двунаправленные ударные нагрузки частотой 20-30 Гц, под действием которых происходит внедрение бурового снаряда в грунт. Практика бурения показала, что несмотря на явные преимущества гидровибрационных снарядов, им присущи некоторые недостатки, в некоторых случаях затрудняющие их использование. Так при бурении с малотонажных плавсредств мощность генератора судна часто не обеспечивает необходимый режим работы электропривода бурового насоса, что отрицательно сказывается на работе гидровибратора. Кроме того, большинстов западных фирм, особенно при инженерно-геологических изысканиях, ужесточаются требования к качеству керна, отобранного при использовании двунаправленного режима погружения бурового снаряда в грунт. Это приводит к необходимости увеличения диаметра пробы, а, следовательно, габаритов бурового снаряда и его приводной мощности.
При отборе проб в донных отложениях, представленных нескальными горными породами, керн высокого качества получается при использовании забивных буровых снарядов (пробоотборников), генерирующих однонаправленные ударные нагрузки низкой частоты. В условиях работы на морском шельфе наиболее перспективными являются гидроприводные забивные пробоотборники. Однако в мировой практике морских буровых работ они прктически не используются из-за отсутствия надежных конструкций. В Донецком государственном техническом университете (ДонГТУ) разработаны устройства подобного типа для использования при многорейсовом бурении разведочных скважин по технологии "Wire Line". Однако при однорейсовом бурении гидроприводные забивные низкочастотные пробоотборники до сих пор не применяются.
Проведенные в ДонГТУ исследования позволили разработать две принципиальные схемы гидроприводных забивных буровых снарядов для однорейсового бурения скважин. В одной схеме удары наносятся подпружиненным бойком (по аналогии с гидроударниками обратного действия). Другой же тип бурового снаряда является принципиально новым: периодические удары бойка наносятся за счет гидростатического давления морской воды. Анализ показывает, что забивные снаряды, выполненные по данной схеме, позволяют осуществлять эффективный отбор проб длиной до 4 м при использовании малотонажных плавсредств, имеющих ограниченную мощность приводного оборудования.
Расчетная схема рабочего цикла забивного пробоотборника приведена на рис.1. В исходном состоянии боек 1 занимает верхнее положение. При подаче жидкости в рабочую камеру 4 из окружающей среды боек 1 под действиемгидростатического давления перемещается вниз, сжимая газ в воздушной камере 3, и наносит удар по наковальне 2. Скорость движения бойка 1 для заданной глудины акватории Н можно регулировать, подобрав давление воздуха в камере 3 и диаметр проходного канала 6 наковальни 2. ДЛя повторного нанесения удара рабочая камера 4 отсекается от окружающей среды и из нее откачивается жидкость (специально разработанное для этой цели устройство на рисунке не показано). Боек 1 возвращается в исходное положение за счет восстановления объема воздушной камеры 3. Далее цикл повторяется.
Рисунок 1 - Расчетная схема рабочего цикла забивного пробоотборника
Рабочий цикл механизма описывается уравнением Бернулли (рис.2; рис.3), составленным для сечений I и II (рис.1):
Рисунок 2 - Уравнение Бернулли
где Н - глубина акватории, м; Pк - давление воздуха в камере 3, Па; р - плотность жидкости, кг/м3; g= 9,81 м/с2; V - скорость жидкости в сечении II, м/с; Ни - суммарный коэффициент гидровлических сопротивлений; Нб - суммарный натор, обусловленный бойком, м.
где Po - начальное давление в воздушной камере, Па; Po - начальный объем воздушной камеры, м2; x - текущая координата бойка, м; n - показатель адиабаты.
где Lн - начальная длина рабочей камеры, м; Lр - рабочая длина буферной камеры, м; Lo- общая длина буферной камеры; - длина наковальни; d - диаметр бойка, м;y - коэффициент Дарси; и q - коэффициент гидравлических сопротивлений, соответственно, на выходе в рабочую камеру и в канале наковальни. Величина определяется отдельно для ламинарного (4) и турбулентного (5) режимов течения жидкости:
где Re - параметр Рейнольдса, , v - кинематическая вязкость,м2/с.
Рисунок 3 - Уравнение Бернулли
где m - масса бойка, кг; G=mg; R - силы трения в цилиндре механизма, Н; t - текущее значение времени.
Подставив выражение (2) - (7) в уравнение (1), после преобразований получим два дифференциальных уравнения движения бойка - для ламинарного (8) и турбулентного (9) режимов течения жидкости:
где и - соответственно скорость и ускорение бойка.
где и - соответственно скорость и ускорение бойка.
Уравнения (8) и (9) решаются на персональном компьютере методом Рунге-Кутта. Для расчетов используются начальные условие t=0, . На каждом шаге интегрирования определяется значение скорости и хода бойка механизма. Это дает возможномть получить зависимости изменения скорости бойка механизма на рабочем ходе S при различном сочетании конструктивных параметров и технологических факторов, которые являются основой для инженерного проектирования забивных пробоотборников нового типа.
Рекомендовано до публiкацii д.т.н. А.О. Кожевниковим
8.02.2000 р.