Цель работы – совершенствование методики расчета ударного механизма для ликвидации прихватов в скважинах с низким гидростатическим уровнем жидкости, установления закономерностей их работы, разработка практической конструкции этого механизма и технологии его применения.
Идея работы – применение гидростатического давления промывочной жидкости в бурильных трубах для нанесения ударов по прихваченому снаряду.
Объект исследований – технические средства для ликвидации прихватов бурового снаряда. Предмет исследований – рабочие процессы в ударных механизмах для ликвидации прихватов бурового снаряда.
Задачи исследования:
Прихваты бурового снаряда относятся к числу наиболее сложных аварий в геологоразведочном бурении. Как показывает практика, их ликвидация является очень трудоемким процессом. Для борьбы с прихватами применяют ударные механизмы, которые очень часто дают положительные результаты при ликвидации этого вида аварий. В Донбассе бурение в основном ведется по полям угольных шахт, где есть огромное количество зон поглощений, которые обусловлены влиянием горных работ. Вследствие этого возможность возникновения прихватов в результате выхода промывочной жидкости увеличивается многократно. Применение ясов в этих условиях может только усугубить ситуацию, так как бурильная колонна, которая колеблется, может разрушать стенки скважины в ее пустой части. Существуют ударные механизмы, реализующие гидростатическое давление столба жидкости в скважине, при этом колонна бурильных труб не воспринимает динамические нагрузки, т.е. не участвует в колебательном процессе. Однако их нельзя использовать для нанесения ударов по прихваченому снаряду в скважинах, пересекающих зоны катастрофических поглощений, например, зоны влияния горных выработок с низким уровнем жидкости над забоем, поскольку энергия ударов бойка устройства зависит от гидростатического давления в скважине.
Таким образом, для практики геологоразведочного бурения в условиях Донбасса весьма актуальной является разработка ударного механизма для ликвидации прихватов бурового снаряда, реализует гидростатическое давление столба жидкости в бурильных трубах. Это позволит применять его для ликвидации прихватов в сухих скважинах и в скважинах с низким статическим уровнем жидкости, которые обусловлены катастрофическим поглощением. Но предложенные конструктивные схемы подобных механизмов имеют ряд недостатков, которые снижают их энергетические характеристики. Кроме того, для надежного определения рабочих параметров ударного механизма необходимо усовершенствовать методику инженерного расчета. В связи с этим работа по совершенствованию методики расчета и конструкции ударных устройств для ликвидации прихватов бурового снаряда в скважинах с низким уровнем промывочной жидкости является актуальной.
– Усовершенствованная методика расчета ударного механизма для ликвидации прихватов в скважинах с низким гидростатическим уровнем жидкости.
Новые результаты:
– Конструкция ударного механизма реализующего гидростатическое давление столба жидкости в бурильных трубах (на уровне изобретения) и технология его применения. Значение работы заключается в разработке методики расчета ударного механизма, его конструкции и обосновании конструктивных параметров и технологии применения.
Была подана работа на вузовский конкурс студенческих научно-исследовательских работ (диплом Победителя). Результаты работы докладывались на Всеукраинском конкурсе студенческих работ по отрасли «Нефтяная и газовая промышленность» (г. Ивано-Франковск, НУНГ). Принимала участие в Х республиканской научно-технической конференции студентов «Бурение» (ДонНТУ 2010). Подана заявка на полезную модель А 2009 13164 от 17.12.2009 (получено положительное решение) и заявка на изобретение U 2009 13557 от 25.12.2009.
Для разведочного бурения подобные устройства разрабатываются на кафедре Технология и техника геологоразведочных работ в ДонНТУ. Данное исследование является продолжением исследования магистрантки Малик Татьяны Александровны (руководитель Каракозов А.А.).
http://www.masters.donntu.ru/2005/ggeo/malik/index.htm
Ранее были разработаны ряд ударных механизмов, реализующих давление промывочной жидкости в скважине (cм. рис. 1).
Однако эти механизмы нельзя использовать для нанесения ударов по прихваченому снаряду в скважинах с низким уровнем жидкости над забоем или в пустых скважинах. Поскольку энергия ударов поршня-бойка в этих устройствах по прихваченому снаряду зависит от гидростатического давления в скважине, а именно такая ситуация возникает в скважинах, пересекающих зоны катастрофических поглощений, например, зоны старых горных выработок.
Поэтому для работы в сухих скважинах и в скважинах с низким уровнем жидкости была предложена схема ударного механизма, реализующего давление промывочные жидкости в бурильных трубах (cм. рис. 2).
Однако эта схема имеет недостаток, заключающийся в том, что при работе устройства промывочная жидкость перетекает из бурильных труб под поршень-боек по патрубку, который установлен в осевом канале штока.
При прочих равных условиях (поперечных размерах корпуса, бойка, штока и т.д.) это обусловливает повышенные гидравлические опоры влияния жидкости за счет уменьшения сечения ее потока в патрубке и, как следствие - уменьшение энергии ударов по прихваченному снаряду. На основе этого механизма была разработана новая конструктивная схема ударного механизма по которой подана заявка на изобретение.
Для устройств, реализующих гидростатическое давление в бурильных трубах отсутствует достаточная теоретическая и конструкторская проработки, что является основным препятствием их внедрения в практику бурения геологоразведочных скважин малого диаметра. С целью определения рациональной области применения и наиболее полной реализации энергетических возможностей устройств на стадии проектирования, необходимо создание основ методики расчета параметров ударных механизмов, работающих за счет энергии столба жидкости в бурильных трубах. Для данного устройства была разработана математическая модель его работы.
В ее основу были взяты модели, которые были разработаны ранее на кафедре ТТГР для устройств, реализующих давление жидкости в скважине, разработана схема. По данной расчетной схеме составленное дифференциальные уравнения, в результате интегрирования которых были получены соотношения для определения скорости бойка устройства. Для нахождения скорости перетока жидкости из бурильных труб решалось также уравнения Бернулли для неустановленного движения жидкости. Для интегрирования уравнения необходимо рассмотреть случаи с разными типами промывочной жидкости, поэтому делаются расчеты для ньютоновской и не ньютоновской жидкости при ламинарном и турбулентном режимах.
Используя зависимости, с помощью пакета Mathcad был определен характер изменения скорости бойка протяжении рабочего цикла для различных условий эксплуатации механизма.
Анализ зависимости скорости бойка от величины рабочего хода позволяет сделать вывод о достаточно высоких энергетических параметры механизма. Ход бойка устройства должен регулироваться в зависимости от уровня жидкости в бурильных трубах (h). Целесообразно выбирать его значение, соответствующее времени 2h / c, в случае, если отсутствуют ограничения по общей длине устройства и по прочности его составных частей. На основании теоретического анализа рабочего цикла УМЛП предложены рекомендации зависимости величины хода бойка механизма от уровня промывочной жидкости в скважине.
Предложена конструкция устройства (см рис.3).
Устройство работает следующим образом (см.рис.4, рис.5). При использовании после возникновения прихватов в скважине, он спускается к прихваченому объекта на бурильных трубах, соединенных со штоком и резьбой. При соединении устройства с прихваченым буровым снарядом нижним переходником с резьбой, в которую может дополнительно крепиться ловильный инструмент, вращение от бурильных труб передается на него через шток, шлицевые соединения, верхний переходник и корпус. Потом по бурильным трубам сбрасывается обратный клапан который садится в седло и перекрывает осевой канал в нижнем переходнике. Далее бурильные трубы с помощью насоса заполняют промывочной жидкостью таким образом, чтобы уровень жидкости в них был значительно выше, чем в скважине. При этом обратный клапан не дает жидкости вытекать из полости бурильных труб. Поршень-боек остается на уступе под действием собственного веса и давления промывочной жидкости в скважине, действующий над поршнем-бойком в полости корпуса, связанной со скважиной отверстиями.
Для нанесения удара дают натяжение бурильным трубам и поднимают шток в крайнее верхнее положение. При этом радиальные отверстия в штоке поднимаются выше перегородки и соединяются с полостью под поршнем-бойком, в нее начинает перетекать жидкость из полости бурильных труб. Поскольку давление под поршнем-бойком больше, чем над ним, так как уровень жидкости в бурильных трубах значительно больше, чем в скважине, то поршень-боек движется вверх и наносит удар по наковальне . При этом жидкость из полости над поршнем-бойком витискается в скважину через отверстия.
Для нанесения повторного удара бурильные трубы подаются вниз. Шток ограничителем давит на поршень-боек и перемещает его вниз до уступа. При этом жидкость из-под поршня-бойка витискаеться в полость бурильных труб через отверстия. Когда они сравняются с перегородкой, жидкость из-под поршня-бойка будет витискаться в полость бурильных труб через клапан. Удары, которые передаются на прихваченый снаряд во время работы устройства, приводят к освобождению снаряда от прихватов.
Устройство также может включаться в состав бурового снаряда. При этом в процессе бурения скважины крутящий момент на забой передается шлицевым соединением, усилия осевой нагрузки – ограничителем на поршень-боек и уступ корпуса. В случае возникновения прихватов обратный клапан сбрасывают по бурильным трубам и он садится в седло. Дальнейшая работа устройства аналогичная.
1. В работе предложена уточненная методика расчета рабочих параметров устройства для ликвидации прихватов в скважинах с низким динамическим уровнем жидкости над забоем.
2. Анализ предложенной математической модели позволяет определить взаимосвязь рабочих и конструктивных параметров устройства и получить зависимость его энергетических характеристик от конкретных условий эксплуатации.
3. Разработана технология использования устройства для ликвидации прихватов в скважинах с низким динамическим уровнем жидкости над забоем и предложены рекомендации по выбору рационального рабочего хода бойка для конкретных условий работы.
В данный момент магистерская работа находится в стадии разработки. После декабря 2010 полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя.