Еремеевич В.А. (ДонНТУ)

Источник: "Бурение" - 2009 / Материали IХ научно-технической конференции студентов. - Донецк, ДонНТУ - 2009, с. 19-22.

Установки УМБ-130 и УМБ-130М предназначены для многорейсовой проходки скважин глубиной 20-50 м с борта неспециализированных судов. Гидроударный буровой снаряд является основным исполнительным элементом установки УМБ-130М и состоит из гидроударника и колонкового набора. Гидроударный буровой снаряд оснащен двумя дополнительными водораспределительными (пусковыми) узлами, позволяющими производить смену режимов работы снаряда («бескерновое бурение» (гидромониторный размыв породы) – «бурение с отбором керна»).[1,2]
Недостатком существующего гидроударного бурового снаряда является то, что при размыве скважины в крепких глинистых грунтах скорость бурения значительно уменьшается в сравнении с более мягкими породами. Поэтому была поставлена задача совершенствования гидроударного бурового снаряда, в котором, за счет обеспечения работы гидроударника при размыве скважины для дополнительного механического рыхления породы на забое, достигается повышение скорости бурения скважины без отбора керна, особенно при бурении в крепких глинистых грунтах.
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. 1.

Рисунок 1. – 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. 2.

Рисунок 6 – Трёхмерная модель усовершенствованной конструкции верхнего распределительного узла гидроударного бурового снаряда установки УМБ-130М

По этой модели были выполнены рабочие чертежи узла для двух типоразмеров гидроударных буровых снарядов.
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).
Предложенное усовершенствование бурового снаряда принято для внедрения ЗАО «Компания «Юговостокгаз», проводящим буровые работы на шельфе Чёрного и Азовского морей.

Библиографический список

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. 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.