Еремеевич Виктория Александровна

Горно-геологический факультет
Специальность: Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых

Тема выпускной работы:

Усовершенствование гидроударных буровых снарядов для бурения скважин на шельфе

Научный руководитель: доцент Каракозов Артур Аркадьевич

Реферат по теме выпускной работы

Введение

     Актуальность работы. На сегодняшний день, по оценкам специалистов, основной углеводородный резерв Украины (около 40% запасов нефти и газа) сосредоточен в районах отечественного сектора шельфа Черного и акватории Азовского морей и составляет более 1,5 млрд. тонн условного топлива. Несмотря на высокую перспективность и значимость углеводородных ресурсов Азово-Черноморского региона, уровень их освоения к середине 90-х годов ХХ века не превысил 4% [1].
     Поэтому в последние годы значительно увеличились объемы инженерно-геологических и геологоразведочных работ на континентальном шельфе, связанных с бурением скважин глубиной до 50 метров и более. Эти скважины используются при выполнении робот, связанных с постановкой морских буровых платформ и строительстве сооружений различного назначения. Применение в этих условиях специализированных буровых суден из-за высоких эксплуатационных затрат экономически нецелесообразно, а при малых глубинах моря – не всегда возможно. В данных условиях перспективным способом бурения является многорейсовое поинтервальное бурение с использованием погружных установок. Поэтому разработка технических средств для бурения скважин на шельфе на сегодняшний день является актуальным направлением работы [2, 3].
     Опыт использования установок УМБ-130 и УМБ-130М показал эффективность технологий поинтервального бурения скважин, поскольку в этом случае отпадает необходимость как в применении специальных суден, так и дорогих технологиях бурения, что снижает стоимость работ. Но у существующей конструкции есть недостатки, а именно при бурении в твердых породах глинистого комплекса резко снижается скорость проходки скважины.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Квалификационная работа магистра выполнена на протяжении 2008-2009 г. согласно с научным направлением кафедры «Технология и техника геологоразведочных работ» ДонНТУ.

Цель работы - усовершенствование конструкции погружного бурового снаряда установок УМБ-130 и УМБ-130М, обеспечивающее повышение скорости бескернового бурения в твердых породах, что позволит существенно повысить технико-экономические показатели буровых работ.

Идея работы заключается в увеличении скорости проходки твердых пород при бескерновом бурении за счет осуществления комбинированного способа разрушения пород, включающего одновременное воздействие на забой потока жидкости и периодических ударных нагрузок, генерируемых гидроударником.

Задачи работы:

1. Разработать конструктивную схему бурового снаряда, обеспечивающего работу гидроударника с одновременным размывом пород на забое при бурении без отбора керна.
2. Обосновать конструктивные параметры предложенной схемы бурового снаряда.
3. Обосновать технологию бескернового бурения.
4. Разработать принципиальную схему и конструкцию сигнализатора наклона бурового снаряда, обеспечивающего надежную сигнализацию о постановке буровой установки УМБ-130 на дно моря.

Объект разработки – процессы при бурении скважин в донных отложениях на шельфе морей.

Предмет разработки – конструкция и параметры гидроударного бурового снаряда, обеспечивающие комбинированный способ проходки скважины при бескерновом бурении.

Научная новизна.Проведено обоснование режимов бескернового бурения при комбинированном способе проходки: воздействии на забой ударных нагрузок и гидроразмыве пород.

     Практическое значение.
1. Разработана конструкция гидроударного снаряда, обеспечивающего комбинированный способ проходки скважины.
2. Разработана конструкция сигнализатора наклона бурового снаряда.
     По предварительным оценкам, использование усовершенствованного гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М с новым верхним распределительным узлом позволит увеличить скорость проходки скважины без отбора керна в крепких глинистых грунтах в 2-5 раз (за счет одновременной работы гидроударника и гидроразмыва пород на забое).
     Разработанный сигнализатор наклона бурового снаряда обеспечивает однозначную сигнализацию положения буровой установки УМБ-130 на дне моря. Это позволяет снизить непродуктивные затраты времени [4].

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на VIII Всеукраинской конференции «Бурение» в 2008 г, на Всеукраинском конкурсе студенческих научных работ в отрасли «Нефтяная и газовая промышленность» в номинации «Бурение скважин, добыча, транспорт и сохранение нефти и газа» в 2009 г. (диплом третьей степени), IХ Всеукраинской конференции «Бурение» в 2009 г.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Установки типа УМБ-130 [5] предназначены для бурения подводных скважин глубиной до 20 м (УМБ-130) или до 50 м (УМБ-130М) с борта неспециализированных судов. В состав установки входит гидроударный буровой снаряд (типовой для УМБ-130), придонное основание (опора) для стабилизации бурового снаряда, система канатов, связывающих плавсредство и опору через Г-образные стойки, жестко прикрепленные к фальшборту судна. Принципиальная схема работы установки УМБ-130М показана на рис. 1.

Рисунок 1. - Принципиальная схема работы установки УМБ-130М
(flash-анимация, объем 28Kb)

     Привод гидроударного механизма обеспечивается буровым насосом с подачей не менее 450 л/мин при давлении 3,5-4,5 МПа (НБ-32, 9МГр и др.).
     Гидроударный буровой снаряд (ГБС) является основным исполнительным элементом установки УМБ-130М и состоит из гидроударника (ГУ) и колонкового набора. Гидроударный буровой снаряд оснащен двумя дополнительными пусковыми узлами (верхним и нижним), которые позволяют производить смену режимов работы снаряда («бескерновое бурение» (гидромониторный размыв породы) – «бурение с отбором керна») [6].
     В настоящее время для установок типа УМБ разработаны гидроударные снаряды с тремя разновидностями верхнего пускового узла.

Верхний пусковой узел ВПУ-1 позволяет многократно изменять режим канализации жидкости через гидроударный механизм в течение цикла проходки заданного интервала скважины. Принципиальная схема и принятое конструктивное исполнение ВПУ-1 исключают необходимость постоянных перезарядок ВПУ, предусматривающих разборку и возврат перемещающихся элементов ВПУ в начальное положение [7]. ВПУ размещается в цилиндре 16 (рис. 2, а), соединенном с верхним переходником 1, и включает пусковой клапан 3 с пружиной 2 и поршень 4 с пружиной 5.
Схема гидроударного бурового снаряда с автоматическим управлением ВПУ
Рисунок 2. - Схема гидроударного бурового снаряда с автоматическим управлением ВПУ

     В режиме гидроразмыва пройденного ранее интервала скважины выполняется запуск ВПУ. Увеличивается расход жидкости в нагнетательном трубопроводе. За счет этого возрастает действие скоростного напора и перепада давления на пусковой клапан 3, который перемещается вниз, сжимая пружину 2, и перекрывает осевое отверстие «а» в подпружиненном поршне-седле 4. В камере «г» резко повышается давление, что обеспечивает смещение поршня 4 вниз. При этом открываются боковые окна «б», обеспечивая проход жидкости в кольцевой зазор «е» между кожухом и корпусом гидроударника, минуя рабочие камеры гидродвигателя машины.
     Для обеспечения работы гидроударника в режиме «бурение с отбором керна», расход жидкости снижается до значения, соответствующего условию запуска и работы гидроударника в номинальном режиме. Одновременно умень-шается силовое воздействие на пусковой клапан 3, который усилием пружины 2, возвращается в верхнее положение (рис. 2, б). Давление в камере «г» снижается. Поршень 4 усилием пружины 5 перемещается вверх. При этом поршень ВПУ перекрывает боковой канал «б». Рабочая жидкость через отверстия в направляющей перегородке 18 и открытый канал «а» получает доступ в рабочие камеры гидродвигателя гидроударника, обеспечивая его запуск и работу.
     Несмотря на универсальность ВПУ, обусловленную возможностью многократно изменять режим канализации жидкости через гидроударный механизм в течение цикла проходки заданного интервала скважины, некоторые затруднения возникали при его настройке [8]. Для обеспечения надежности срабатывания ВРУ необходим тщательный подбор суммарной площади каналов «в» с соблюдением условия, чтобы перепад давления в камере «г» обеспечивал достаточное усилие для удержания системы «клапан 3 – поршень-седло 4» в нижнем положении в течение работы гидроударного механизма при свободном выходе жидкости через НПУ и отверстия «и» в наружной трубе 12.
     Учитывая, что рабочие параметры гидроударника в процессе проходки скважины либо форсируются, либо уменьшаются в зависимости от геологического разреза на интервале бурения, гарантированный перепад давления в камере ВПУ можно было обеспечить при наличии достаточной разницы расходов жидкости для режима гидроразмыва пород и рабочего режима работы гидроударника. Как показали экспериментальные работы, для принятого исполнения ВПУ эта разность должна была находиться в пределах 220-250 л/мин [9].

Верхний пусковой узел ВПУ-2 является универсальным для ПБС, использующихся с одинарным и двойным колонковыми наборами. ВПУ-2 позволяет получить разовое необратимое изменение направления движения жидкости через каналы и зазоры ПБС при смене способа разрушения породы [10].
Для работы ПБС в режиме отбора керна (рис. 3, б), в нагнетательную линию сбрасывается шарик 5. После посадки шарика в седло поршня 4 в нагнетательном трубопроводе повышается давление, сила которого обеспечивает срез шплинтов 2. Поршень опускается вниз, перекрывая канал «б». Одновременно открываются окна «в», через которые жидкость направляется в цилиндр гидроударника. Под действием давления жидкости поршень начинает выполнять возвратно-поступательные движения между наковальнями с передачей на них ударных нагрузок, способствующих внедрению ПБС в породу.
Схема гидроударного бурового снаряда с нерегулируемым ВПУ
Рисунок 3. - Схема гидроударного бурового снаряда с нерегулируемым ВПУ

Возвращение ВПУ в исходное положение (рис. 3, а) возможно только после подъема установки для извлечения шарика и перезарядки узла.
При эксплуатации ГБС с рассмотренным ВПУ были выявлены недостатки, вследствие чего была проведена его модернизация (рис. 4) [11].
Схема модернизированного гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М
Рисунок 4. - Схема модернизированного гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М: 1 – переходник; 2 – винт; 3 – манжета; 4 – поршень ВПУ; 5 – шарик; 6 - обратный клапан; 7 – разделительная муфта-седло; 8 – нижняя наковальня; 9 – шток НПУ; 10 – цилиндр НПУ; 11 – поршень-золотник НПУ; 12 – пружина; 13 – втулка; 14 – керноприемная труба; 15 – наружная колонковая труба; 16 – распределительная коробка; 17 – регулировочные кольца НПУ

В корпусе переходника 1 выполнены делительные окна «л», благодаря которым, после перемещения системы «шарик 5 - поршень 4» вниз и закрытия канала «в», часть жидкости направляется в скважину, а количество жидкости для запуска и работы гидроударника в номинальном режиме направляется через окна «г» в цилиндр машины. Это позволило иметь постоянный увеличенный поток жидкости в скважине ( 500 л/мин) выше гидроударника как в процессе гидроразмыва, так и при пробоотборе.
Кроме того, такое решение позволило выполнять подъем ПБС при неработающем гидроударнике, при включенном буровом насосе с уменьшенной подачей жидкости (150-180 л/мин), тем не менее, сохраняющей восходящее движение потока по стволу скважины. Для защиты гидроударника от проникновения в него шлама разделительная муфта 7 гидродвигателя на линии выхлопного канала «д» дополнительно была оснащена обратным клапаном 6. Это решение полностью исключило попадание частиц шлама в гидродвигатель в процессе нахождения ПБС в скважине.

Основные результаты

На основании анализа патентных и литературных источников была предложена усовершенствованная схема гидроударного снаряда, в котором полость камеры под поршнем верхнего распределительного узла соединена с входным каналом гидроударника, в канале между верхним и нижним распределительным узлом установлена дроссельная втулка, а нагнетательный канал между камерой и входным каналом гидроударника перекрыт обратным клапаном.
Схема работы снаряда по новой технологии приведена на рис. 5.
Схема работы усовершенствованного гидроударного бурового снаряда установок УМБ-130 и УМБ-130М
Рисунок 5. – Схема работы усовершенствованного гидроударного бурового снаряда установок УМБ-130 и УМБ-130М

     Гидроударный буровой снаряд работает таким образом. Он спускается с борта судна и устанавливается на дне в вертикальном положении. При этом пусковой клапан 26 отсутствует. Поршень 23 занимает свое крайнее верхнее положение в камере 22 распределительного переходника 21, в котором он зафиксирован штифтами 27. Нагнетательный канал 29 перекрыт боковой поверхностью поршня 23. Блокировочный клапан 16 и кольцевой золотник 17 занимают крайнее верхнее положение под действием пружин. Отбор пробы с глубины, которая превышает длину колонкового набора, осуществляется в такой последовательности. Сначала осуществляется предыдущее бурение без отбора пробы. От источника давления, который находится на борту судна, в гидроударный буровой снаряд подается жидкость, которая через канал 28, осевой канал 24 в поршне 23, камеру 22, дроссельную втулку 36, канал 30, кольцевой зазор между гидроударником 1 и кожухом 10, каналы 11 и 14, зазор между трубами 5 и 6 и отверстия 9 выходит в окружающую среду. Повышая подачу жидкости, добиваются того, что под действием скоростного напора жидкости и перепада давления на блокировочном клапане 16, последний двигается вниз и перекрывает проход жидкости в канал 14. При этом жидкость поступает в пространство над кольцевым золотником 17. За счет повышения давления при закрытии блокировочного клапана 16 над кольцевым золотником 17 последний двигается вниз. Это движение осуществляется потому, что полость под кольцевым золотником 17 постоянно связана каналом 14 с зазором между трубами 5 и 6, соединенными с окружающей средой или скважиной, следовательно, давление жидкости под кольцевым золотником 17 будет значительно ниже, чем над ним. Когда кольцевой золотник 17 откроет каналы 15, то жидкость через них поступает в полость внутренней керноприемной трубы 5 и через кернорватель 8 – на забой скважины, размывая породы. Это обеспечивает возможность углубления гидроударного бурового снаряда в грунт без отбора пробы. Одновременно часть жидкости подается во входной канал 2 гидроударника 1 через канал 35, при этом связь входного канала 2 гидроударника 1 с окружающей средой через нагнетательный и дроссельный каналы 29 и 31 и дроссельную втулку 32 заблокирован обратным клапаном 33. Гидравлическое сопротивление дроссельной втулки 36 подбирается таким образом, чтоб обусловленное им давление жидкости в канале 35 отвечало рабочему давлению гидроударника 1. Гидроударник 1 начинает работать и генерирует удары, за счет которых (при периодических постановках на забой скважины) башмак 7 углубляется в грунт, дополнительного разрушая породы на забое скважины. Жидкость, которая выходит из гидроударника 1 через обратный клапан 4 и канал 3, также поступает на забой скважины и размывает его. Таким образом, бурение без отбора керна проводится за счет размыва пород забоя и их дополнительного механического рыхления при периодических постановках снаряда на забой скважины, что повышает механическую скорость бурения, особенно в крепких глинистых грунтах. После того, как гидроударный буровой снаряд достигнет нужной глубины отбора пробы, подачу жидкости от источника давления прекращают. Поскольку давление в системе падает, то кольцевой золотник 17 и блокировочный клапан 16 под действием пружин занимают свои крайние верхние положения, закрывая каналы 15 и перекрывая, таким образом, доступ жидкости в полость керноприемной трубы 5. Дальше, по линии, соединяющей источник давления с гидроударным буровым снарядом (бурильные трубы, нагнетательный шланг), сбрасывается пусковой клапан 26 и снова включается подача жидкости с интенсивностью как и при бурении без отбора керна. После посадки пускового клапана 26 в седло 25 поршня 23 давление в системе растет настолько, что штифты 27 срезаются. Поршень 23 перемещается в крайнее нижнее положение в камере 22, при этом пробка 34 перекрывает осевой канал 24. Таким образом, нагнетательный канал 29, связанный с входным каналом 2 гидроударника, соединяется с источником давления, а канал 30, связанный с зазором между трубами 5 и 6 разъединяется с последним. Одновременно камера 22 через дроссельный канал 31 и дроссельную втулку 32 соединяется с окружающей средой. Гидравлическое сопротивление дроссельной втулки 32 также подбирается таким образом, чтоб обусловленное им давление жидкости в нагнетательном канале 29 отвечало рабочему давлению гидроударника 1. Гидроударник 1 начинает работать и генерирует удары, за счет которых гидроударный буровой снаряд углубляется в грунт башмаком 7, и проба поступает во внутреннюю колонковую трубу, отжимая в стороны лепестки кернорвателя 8. При работе из гидроударника 1 вытесняется жидкость по каналу 3 в зазор между кожухом 10 и гидроударником 1 и, дальше, по каналам 11 и 14 – в зазор между трубами 5 и 6, и через отверстия 9 она поступает в скважину выше башмака 7, размывая стенки скважины, что снижает силы трения по внешней поверхности гидроударного бурового снаряда. Потоки жидкости, которые выходят из отверстий 9 и дроссельной втулки 32 складываются над гидроударным буровым снарядом и, таким образом, обеспечивается постоянная скорость течения жидкости в скважине над гидроударным буровым снарядом при разных режимах его работы.
     В процессе бурения в полости керноприемной трубы 2 осуществляется обратная промывка. При движении поршня 20 вверх вместе с бойком гидроударника (не показан) жидкость поступает из керноприемной трубы 5 через всасывающий насосный клапан 18 под поршень 20. При движении поршня 20 вниз жидкость через нагнетательный насосный клапан 19 выбрасывается в скважину.      По предложенной выше схеме проведена конструкторская разработка усовершенствованного гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М.
     Анализ исходной конструкции гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М показал, что для его совершенствования достаточно изменить конструкцию верхнего распределительного узла.
     Новая конструкция верхнего распределительного узла была смоделирована в системе Kompas-3D V8. Разработанная трёхмерная модель верхнего распределительного узла представлена на рис. 6. По этой модели были выполнены рабочие чертежи узла для двух типоразмеров гидроударных буровых снарядов, проведены проверочные расчеты, разработана технология применения бурового снаряда.
Трёхмерная модель усовершенствованной конструкции верхнего распределительного узла гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М
Рисунок 6 – Трёхмерная модель усовершенствованной конструкции верхнего распределительного узла гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М

В данный момент магистерская работа находится в стадии разработки, после декабря 2009 г. полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя.

Литература

     1. Калиниченко О.И., Зыбинский П.В., Каракозов А.А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 270 с.:ил.
     2. Тезисы докладов научно-технической конференции „Нефть и газ арктического шельфа - 2002”. – Мурманск, 13-15 ноября 2002. – http://arcticshelf.ru/info/2002/russian/section3/3-14-15-45.pdf14
     3. JEODI - Joint European Ocean Drilling Initiative. http://www.ecord.org/about/j/jeodi1.html
     4. Патент на ПМ № 31074 Украина, МПК Е21В25/00. Подводный пробо-отборник/ Каракозов А.А., Попова М.С., Парфенюк С.Н., Еремеевич В.А.; ДонНТУ. – Опубл. 25.03.2008, бюл. №6. – 4с.
     5. Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. Погружная гидроударная установка УМБ-130 для многорейсового бурения подводных скважин.// Сб. научн. Трудов.- К.: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНЦ. Киев,2003. С.-63-68.
     6. Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В., Паршков А.В. Технические средства бурения подводных геологоразведочных скважин глубиной до 50 м. // Сб. научн. Трудов.- Киев: ИСМ им. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНЦ. Киев,2004. Вып.7. С.-14-15.
     7. Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. Разработка погружных гидроударных снарядов для бурения подводных разведочных скважин со специализированных плавсредств. //Сб. науч. трудов. – Вып.8. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. – С.92-95.
     8. Декларационный патент на ПМ № 13609 Украина, МКИ Е21В25/18. Гидроударный буровой снаряд / Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В.; ДонНТУ. – Опубл. 17.04.2006, бюл.№4. – 6с.
     9. Патент № 76868 Украина, МКИ Е21В25/00, Е21В4/00. Гидроударный буровой снаряд / Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В.; ДонНТУ. – Опубл. 15.09.2006, бюл.№9. – 6с.
     10. Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. Новые технические средства и технология поинтервального бурения инженерно-геологических скважин на шельфе. //Труды ДонГТУ. Серия Горно-геологическая. – Донецк. – 2001. – Вып.36. – С. 144-148.
     11. Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В., Паршков А.В. Совершенствование технологии бурения подводных скважин установкой УМБ-130. // Науковий вісник. №5, Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2004. С.68-71.

ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел