В данное время большое внимание уделяется времени, которое затрачивается на бурение и вспомогательные операции. Уделяется внимание уменьшению стоимости работ, а также простоте работы с оборудованием. Поэтому для более эффективного бурения мягких пород разработано устройство, предназначенное для эффективного гидроразмыва пород с одновременной обсадкой скважины.
Цель работы
Целью работы является разработка устройства, превосходящее по полезным качествам аналогичные устройства другой конструкции. Разработанное устройство позволяет экономить на дорогих породоразрушающих инструментах, так как позволяет пройти скважину без их использования. Вместо этого используется гидромониторный узел, который состоит из башмака и насадки внутри него. В качестве промывочной жидкости используется вода, так как в глинистом растворе нет необходимости. Скважина обсаживается одновременно с проходкой. За счет возможности наращивания следующих секций обсадных труб без прекращения гидроразмыва, время бурения значительно уменьшается. Также уменьшается вероятность прихвата снаряда. После окончания работы снаряда пространство внутри обсадных труб сохраняется полностью свободным, что позволяет дальше использовать эту скважину.
Описание механизма
В основу устройства поставлена задача бурения и обсадки скважины колоннами обсадных труб, опускаемыми с поверхности для закрепления стенок скважины, с непрерывной подачей промывочной жидкости и сохранением свободным полного внутреннего сечения труб по окончании бурения. [1]
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для бурения скважин с обсадкой, которое включает приспособление для перекрытия сечения трубы, обратный клапан и систему нагнетательных шлангов, приспособление для перекрытия сечения трубы выполнено в виде сплошного поршня, закрепленного в соединительной муфте обсадных труб фиксаторами, а обратный клапан расположен в трубе ниже муфты.
Заявляемые признаки составляют суть разработанного устройства, потому что являются необходимыми и достаточными для обеспечения технического результата — бурения и обсадки скважины колоннами обсадных труб, опускаемых с поверхности для закрепления стенок скважины, с непрерывной подачей промывочной жидкости и сохранением свободным полного внутреннего сечения труб по окончании бурения.
Экспериментальные исследования и имеющийся опыт гидравлического бурения доказывают, что разрушение породы в мягких и средних по твердости породах практически всегда происходит при значительно меньших значениях давления струи на забой, чем прочностные пределы породы [2]. Специфичность этого явления заключается в том, что разрушение вызвано не столько сжатием породы, сколько интенсивным нарушением целостности массива путем разъединения породы на частицы и “вырывания” отдельных агрегатов грунтовой массы. Необходимо отметить, что аналогичным образом в теории русловых деформаций описывается механизм размыва стенок каналов, сложенных слабосвязными грунтами [3]. Очевидно, что и при гидравлическом бурении в качестве основного параметра, определяющего качественную оценку воздействия жидкости на забой, целесообразнее всего использовать значение скорости потока, при которой обеспечивается надежный размыв породы. В гидротехническом строительстве используются значения предельной неразмывающей скорости потока [uнер], нормируемой в зависимости от типа грунта [4]. По нормативным данным, значение неразмывающей скорости для наиболее тяжелых по степени трудности гидравлического размыва грунтов, к которым относятся плотные глины и крупная галька с примесью гравия, составляет [uнер]=2,7 м/с.
Исходя из результатов многочисленных экспериментов [1, 6], установлено, что при размыве забоя скважины наиболее эффективным является поток с несколькими струями, осуществляющими комплексное воздействие на размываемый забой. В пределах зоны потенциального ядра скорость практически равна начальной скорости течения u0. После начального участка потенциальное ядро переходит в линию максимальных скоростей, значение скорости um на которой снижается в направлении течения [5].
Отмечается [8, 9, 10], что решению точными методами поддаются лишь сравнительно небольшое число задач, связанных с различного рода струйными течениями в основном ламинарного характера. Кроме этого, вследствие сложности пульсационного движения сугубо теоретический расчет турбулентного течения практически невозможен и закономерности движения жидкости приходится искать лишь для осредненных по времени величин. Такой путь в сочетании с введением некоторых весьма вероятных полуэмпирических допущений дает возможность вычислить характеристики турбулентного течения в хорошем соответствии с опытом.
Суть устройства поясняется чертежами, где на рис. 1 показан общий вид устройства в разрезе в процессе бурения с помощью гидроразмыва породы, а на рис. 2 — в процессе наращивания очередной секции обсадных труб.
В состав устройства входят обсадная труба 1 с соединительной муфтой 2, внутри которой размещено приспособление для перекрытия сечения трубы, выполненное в виде сплошного поршня 3 с эластичной манжетой 4. Поршень 3 закреплен в муфте 2 фиксаторами 5, которые входят в кольцевую проточку 6. Разница верхнего и нижнего диаметра поршня создает уступ 7. На трубе 1 ниже муфты 2 расположен обратный клапан 8, к которому присоединен нагнетательный шланг 9. Нагнетательная система состоит из двух шлангов 9 и 10 и трехходового крана 11 [11], с помощью которого можно подавать промывочную жидкости в любой шланг. На нижнем конце обсадной колонны расположены башмак 12 и гидромониторный узел 13.
Для наращивания обсадной колонны используют трубы или секции труб 14 аналогичные трубе 1.
Рис 1.Общий вид устройства
Рис 2. Процесс наращивания.
В данном варианте конструкции используются обсадные трубы диаметром 127 мм и соответствующие им муфты диаметром 146 мм. На расстоянии 110 мм от конца трубы высверливается отверстие диаметром 39 мм для обратного клапана.
В кольцевой проточке муфты просверливаются два отверстия для фиксаторов. На поверхности отверстий нарезается резьба, так как в качестве фиксаторов используются стандартные болты М8 длиной 40 мм. Для того, чтобы выкручивать фиксаторы на необходимую длину, на них могут краской наносится метки.
Поршень состоит из двух частей. Корпус имеет две проточки для уплотнительных манжет. Также в нем имеется отверстие с резьбой для присоединения крышки поршня. На крышке имеются уступы и проточки для удерживания поршня фиксаторами. В крышку поршня вкручивается рым-болт, который служит для удобного извлечения поршня после окончания работ. Общий вид поршня показан на рис. 3.
Рис 3. Поршень
Обратный клапан тарельчатого типа. На клапане имеется наружная резьба для закрепления нагнетательного шланга. Также на корпусе клапана есть проточка для установки уплотнительной манжеты квадратного сечения. Общий вид клапана приведен на рис. 4.
Рис 4. Обратный клапан
Конструкция штуцера шланга и способ соединения шланга с клапаном приведен на рис. 5.
Рис 5. Соединение штуцера с клапаном
Гидромониторный узел представляет собой башмак, в который вставлена гидромониторная насадка.
Общий вид башмака показан на рис. 6.
Гидромониторная насадка представляет собой алюминиевый диск толщиной 22 мм, в котором проделано 21 отверстие для создания гидромониторной струи. Крайние 12 отверстий расположены под углом 76° к поверхности диска. Общий вид насадки показан на рис. 7.
Рис 6. Башмак
Рис 7. Гидромониторная насадка
Принцип действия
Устройство для бурения скважин с обсадкой работает следующим образом.
Обсадная труба 1 подвешена на устье скважины. Поршень 3 закреплен в соединительной муфте 2 фиксаторами 5, которые входят в кольцевую проточку 6. Присоединяют шланг 9 к обратному клапану 8 и с помощью насоса через трехходовой кран 11 направляют промывочную жидкость в шланг 9. Промывочная жидкость проходит через обратный клапан 8 внутрь трубы 1. Эластичная манжета 4 и поршень 3 не позволяют жидкости выходить через верх трубы 1. Жидкость проходит через гидромониторный узел 13, размывает породу под башмаком 12 и вокруг него и выходит по затрубному пространству к устью скважины. Труба 1 погружается под действием собственного веса. Для наращивания очередной секции трубы 14 трубу 1 удерживают на устье с помощью хомута и навинчивают на соединительную муфту 2 трубы 1 трубу 14 и освобождают фиксаторы 5, вывинчивая их на величину, обеспечивающую свободный проход поршня 3. Поршень 3 перемещается вверх, причем эластичная манжета 4 обеспечивает уплотнение при проходе через муфту 2 трубы 1 и через трубу 14. В конце движения поршень 3 своим уступом 7 упирается в выступающие внутрь фиксаторы 5 и останавливается. Окончательно закрепляют поршень 3 завинчивая фиксаторы 5, которые входят в кольцевую проточку 6 поршня 3. Далее присоединяют шланг 10 к обратному клапану 8 трубы 14 и с помощью трехходового крана 11 переводят подачу жидкости на шланг 10. Шланг 9 отсоединяют. Обратный клапан 8 нижней трубы 1 не позволяет жидкости выходить через него. Освобождают хомут, удерживающий на устье трубу 1 и обсадная колонна погружается по мере размыва породы. Процесс повторяется [7].
По окончании бурения и обсадки скважины на заданную глубину прекращают подачу жидкости, освобождают верхние фиксаторы 5 и извлекают поршень 3 из верхней трубы 14, а гидромониторный узел 13 уничтожают или извлекают. Внутреннее сечение обсадной колонны остается полностью свободным.
Устройство позволяет использовать стандартные соединительные муфты.
Анимация принципа действия устройства (9 кадров, скорость - 60 мс, программа - GIF Animator, 174 Кб)
Преимущества разработанного механизма
Преимуществами разработанного механизма являются:
- эффективный гидроразмыв мягких пород под башмаком и вокруг него, что достигается за счет отверстий в гидромониторной насадке и в стенках башмака;
- возможность наращивания следующих секций обсадных труб без прекращения подачи жидкости, что достигается за счет использования трехходового крана и обратных клапанов в стенках обсадных труб;
- возможность сохранения свободным полного внутреннего сечения бурильных труб после окончания работ, так как перекрывающий пространство во время работы снаряда поршень легко извлекается на поверхность после окончания работ;
- уменьшение вероятности прихвата снаряда, за счет постоянной подачи жидкости;
- возможность использования стандартных бурильных труб и соединительных муфт.
Литература
1. Оноприенко М.Г. «Бурение и оборудование гидрогеологических скважин» М.: Недра, 1978, 168 с.
2. Гаврилко В.М., Дугинец Н.Д. Гидравлическое бурение скважин больших диаметров. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1957. – 63 с.
3. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 303 с.
4. Руководство по определению допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для различных грунтов при расчете каналов: ВТР–II–25–80/ Сост. А.В.Магомедова. – М.: Минводхоз СССР, 1981. –58 с.
5. Абрамович Г. Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С. Ю. Теория турбулентных струй. – М.: Наука, 1984. – 716 с.
6. Юшков И.А. Определение скорости потока в зоне смешения нескольких гидромониторных струй при бурении подводных скважин //Збірник наукових праць ДонДТУ. Сер. гірн.-геол. – Донецьк: ДонДТУ, 2001.- Вип. 23.- С. 80 – 84.
7. Патент 26210 Україна UA МПК(2006) Е21В 7/20. Пристрій для буріння свердловин з обсадкою / Юшков О.С., Юшков І.О., Якименко Д.С. - Опубл. 10.09.2007. - Бюл. № 14.
8. Бай Ши-И. Теория струй. – М.: Физматгиз, 1960. – 326 с.
9. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. – М.: Наука, 1965. – 432 с.
10. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика: В 2-х т. Т.2. – М. – Л.: ОНТИ, 1935. – 283 с.
