Мета роботи – вдосконалення методики розрахунку гідроударника для буріння свердловин, уточнення закономірностей його роботи, розробка практичної конструкції і технології його застосування.
Об'єкт і предмет дослідження
Об'єкт дослідження – гідроударну механізми для буріння технічних і дегазаційних свердловин. Предмет дослідження – робочі процеси в гідроударних механізми для буріння технічних і дегазаційних свердловин.
Завдання дослідження:
1. Аналіз сучасного стану гідроударних механізмів для буріння свердловин.
2. Аналіз існуючих методик розрахунків гідроударних механізмів для буріння свердловин.
3. Удосконалення методики розрахунку гідроударну механізму з урахуванням особливостей його робочого циклу.
4. Удосконалення конструкції гідроударника для буріння технічних і дегазаційних свердловин і технології його застосування.
Актуальність теми
Буріння технічних і дегазаційних свердловин в Донбасі в більшості випадків проводиться установками геологорозвідувального буріння або установками для буріння свердловин на воду. Особливості конструкції і потужність приводу цих установок не дозволяє забезпечити раціональну навантаження долота при бурінні свердловин великого діаметру, що дозволяє зменшити еффектівностьпроцесса буріння і його техніко-економічні показники. Крім цього значні витрати на породоруйнуючий інструмент при бурінні шарошечного долотами (особливо в твердих породах) також негативно впливають на вартість бурових робіт.
Таким чином, для практики буріння технічних і дегазаційних свердловин в умовах Донбасу вельми актуальною є розробка гідроударну механізму, який можна було б застосувати як для інтенсифікації буріння шарошечного долотами, так і для ударно-обертального буріння долотами з різцями. Це дозволить у першому випадку підвищити техніко-економічні показники буріння, а в другому – знизити витрати за рахунок застосування більш дешевого інструменту. У зв'язку з цим робота з удосконалення гідроударника для буріння свердловин є актуальною.
Передбачувана наукова новизна результатів роботи полягає в застосуванні даного гідроударну механізму для інтенсифікації шарошечного буріння або його повна заміна на ударно-обертальне буріння.
Плановані практичні результати:
1. Удосконалена методика розрахунку гідроударну механізму для буріння технічних і дегазаційних свердловин.
2. Конструкція удосконаленого ударного механізму (на рівні винаходу) та технологія його застосування.
Значення роботи полягає в розробці методики розрахунку гідроударну механізму, його конструкції та обгрунтування конструктивних параметрів і технології застосування.
Огляд досліджень і
розробок по темі
Глобальний (світової) огляд розробок за запропонованою темі показав, що кількість організацій, які займаються подібними розробками вкрай обмежена. Це означає, що не доцільно вкладати кошти в подібні механізми, так як вони не знайдуть свого застосування в конкретній галузі або місцевості.
За національним огляду будуть розглянуті деякі аналоги гідроударних машин.
Гідроударну машина Г-7 складається з п'яти основних вузлів: понізітеля витрати промивної рідини, клапана, циліндра, поршня-ударника, шліцьового роз'єму.
Гідроударна машина Г-9 складається з чотирьох основних вузлів: клапана, циліндра, поршня, шліцьового роз'єму.
Машини Г-7 і Г-9 виконані з одним шліцьове роз'ємом, без спеціального обмеження ходу клапана, мають у рухомих деталях конусні з'єднання, скорочено кількість різьбових з'єднань і ущільнювальних манжет, забезпечено міцне кріплення пружин. У конструкцію цих машин включені нові елементи (клапан з плаваючою опорою, понізітель витрати промивної рідини та ін), які поліпшують бурові якості гідроударника.
Принцип роботи.При спуску в свердловину і підйомі ці машини перебувають у підвішеному стані. Нижня частина їх з колонкові снарядом опускається під дією власної ваги на величину ходу шліцьового роз'єму. Між клапаном і поршнем утвориться щілина, через яку промивна рідина, що нагнітається насосом через колону бурильних труб, вільно проходить через машину і колонкову трубу в свердловину. Пуск гідроударну машини здійснюється постановкою її на вибій свердловини. При цьому шліцьове роз'єм змикається, поршень-бойок за рахунок збільшення натягу пружини переміщується вгору, а клапан перекриває отвір у поршні. Прохід рідини миттєво припиняється, порушується гідравлічний удар, під дією якого система клапан - ударник з наростаючою швидкістю пересувається вгору, стискаючи Бойкову і клапанну пружину.
У кінці робочого ходу клапан зупиняється обмежувачем; між клапаном і поршнем виникає щілину, і рідина вільно проходить через машину на забій. У цей момент тиск падає, проте ударник в результаті придбаної кінетичної енергії продовжує рух униз і завдає удар по ковадлу. Клапан і ударник під дією стислих при робочому ході пружин повертається у вихідне положення. При зустрічі поршня з клапаном у верхньому положенні знову перекривається прохід промивної рідини, виникає гідравлічний удар, і цикл повторюється. [1, c.393-396]
Гідроударну машина Г-7 може, оснащується понізітелем витрати промивної рідини, який являє собою автоматичну засувку перед машиною, що закриває майже повністю прохідне отвір під час вільного і зворотного ходів ударника і відкриває отвір в період робочого ходу. При порушенні гідравлічного удару, під дією якого система клапан - ударник починає переміщатися вниз, одночасно рухається вгору хвиля гідравлічного удару діє на торцеву поверхню підпружиненого клапана понізітеля і переміщує його у верхнє положення.
При цьому відкривається центральний клапан і забезпечується вільний прохід рідини в гідроударника на весь період робочого ходу. Після відриву поршня від клапана і палена тиску в робочій камері клапан понізітеля силою стиснутої пружини повертається в нижнє положення, знову перекриваючи канал для проходу рідини. Застосування понізітеля призводить до двократного зниження витрат промивальної рідини і накопичення енергії в трубопроводі при пасивному полуцікле. Перепад тиску при цьому підвищується в 2,5 рази.
Уніфіковані гідроударну машини Г-76 та Г-59 призначені для буріння розвідувальних свердловин в породах IV-XII категорій по буримости. Машини можуть працювати в двох режимах - ударному (шифр з буквою У) і високочастотному (шифр з літерою В) і замінюють гідроударника Г-7, ГВ-5 і Г-9, ГВ-6.
Гідроударника Г-59 або Г-76 представляють собою машини прямої дії, автоматичний розподіл рідини в яких здійснюється плоским металевим підпружиненим клапаном, розміщеним у верхній частині машини над поршнем з центральним каналом. Гідроударника з'єднується бурильної колоною перехідником 1 з твердосплавними вставками 2 і включає розміщений у патрубку 3 клапан 4, встановлений з можливістю осьового переміщення на пружині 5, взаємодіючої через обмежувач 6 і регулювального кільця 8 з циліндром 11, в якому встановлена манжета 9. Поршень 10 спільно з обважнювачів 12 і насадкою 15 утворюють ударник, розміщений на пружині 14. Верхній торець ударника під час робочого ходу взаємодіє з клапаном 4, а нижній в момент удару - з колонкові роз'ємом (ковадлом).
Ковадло складається з рухомого в осьовому напрямку шліцьового штока 18, розміщеного в шліцьове склянці 19 і забезпеченого насадкою 15 і нижнім перехідником 20. Циліндр з'єднаний з колонкові роз'ємом корпусом 13 з конічними різьблення. Кільця 8 для регулювання вільного ходу встановлені між обмежувачем і циліндром, а шайби 7 для регулювання ходу клапана розміщені в обмежувачі 6. На нижню насадку встановлені шайби 16 для регулювання натягу пружини ударника. Для усунення витоку шліцьове роз'єм під шайбу 16 встановлено гумове кільце 17 (для машини Г-76В). У підвішеному стані шток 18, а, отже, і ударник під дією маси колонкового набору та власної маси займають крайнє нижнє положення.
Промивна рідина через канали у втулці клапана, поршні, ударнику і ковадлі вільно пропускає в колонкового набору і далі на забій. Гідроударника включений. При поставленні машини на забій шліцьове шток колонкового роз'єму переміщується вгору, ударник пружиною піднімається у верхнє положення до зустрічі з клапаном. Під дією гідравлічного удару, який виникає при перекритті потоку, ударник разом з клапаном з наростаючою швидкістю пересувається вгору, стискаючи пружини 5 і 14. Хід клапана обмежується упором його в обмежувач 6, після чого відкривається шлях для проходу рідини між клапаном і торцем поршня на забій свердловини. При цьому ударник за інерцією продовжує рух і завдає удару по ковадлу, пов'язаної з колонкового трубою, потім під дією пружин клапан і ударник повертаються у вихідне положення, і цикл повторюється. [1, c. 399-403]
Залежно від регулювання ходу клапана, натягування пружини і витрати рідини змінюються енергія і частота коливань ударника, в результаті чого встановлюється відповідний режим роботи.
У уніфікованих гідроударника вдосконалена гідродинамічна система з метою підтримки частоти коливань ударника на високому рівні незалежно від глибини свердловини і в'язкості розчину; зменшена площа поршня в зонах контакту з клапаном і розміщення пружини, що дозволило спростити конструкцію, знизити втрати енергії одиничного удару і підвищити показники надійності; вступають над поверхню корпусу центратори, армовані твердим сплавом, і міцні конічні різьблення корпусу поліпшили показники надійності; забезпечена надійність однієї машини в різних режимах в залежності від умов буріння.
Показники буріння уніфікованими гідроударника перевищують аналогічні показники машин типу Г і ГВ на 10 - 30%.
По локальному огляду розглянемо наступний гідроударний механізм
Найбільш близьким аналогом до розглянутої моделі гідроударника, є гідроударника (Коломоєць А. В. Попередження та ліквідація прихватов в розвідувальному бурінні. – М.: Надра, 1985. – 220с. – Стор 143 – 144, рис. 30), який входить до склад снаряда для буріння та очищення свердловини і містить кожух, розподільний перехідник з впускним і випускним отворами, корпус з верхньою і нижньою ковадлом, клапанну коробку з впускним отвором, сполучену з циліндром, в якому розміщений поршень, пов'язаний з бойком, випускний клапан, встановлений у осьової проточку поршня і сполучений з впускним клапаном штовхачем, вихлопні канали, пов'язаний з випускним отвором кільцевих зазором між кожухом і корпусом, і насосний блок.
Пристрій працює таким чином. Гідроударника у складі бурового снаряда спускається в свердловину і до нього подає рідину. Під дією тиску рідини поршень здійснює зворотно-поступальні рухи і завдає удари бойком на ковадлах. Розподіл рідини в гідроударника здійснюється впускним і випускним клапанами. Ударні імпульси, які генерує гідроударника, використовуються для виконання роботи з руйнування гірської породи. Хвостовик бойка приводить в дію насосний блок, який під час ходу поршня вгору всмоктує рідина з вибою, а під час ходу поршня вниз викидає рідину в свердловину, що забезпечує зворотний промивку свердловини.
Ознаки найближчого аналога, які збігаються з істотними ознаками розглянутого гідроударника: гідроударника, який містить кожух, розподільний перехідник з впускним і випускним отворами, корпус з певніше й нижньої ковадлом, клапанну коробку з впускним клапаном, з'єднану з циліндром, в якому розміщений поршень, пов'язаний з бойком, випускний клапан, встановлений у осьової проточку поршня і сполучений з впускним клапаном штовхачем, і вихлопні канали, пов'язані з впускним отвором кільцевих зазором між кожухом і корпусом.
Цей гідроударника має недолік, який полягає в тому, що при його застосуванні неможливо виконувати промивання вибою свердловини від шламу, наприклад перед початком рейсу, без включення в дію самого гідроударника. А це призводить до непродуктивних витрат потужності при промиванні свердловини.
Також, розглянемо подібний гідроударника (Коломоєць А. В. Попередження та ліквідація прихватов в розвідувальному бурінні. – М.: Надра, 1985. – 220с. – Стор 143 – 144, рис. 30), який входить до складу снаряда для буріння і очищення свердловини містить: розподільчий перехідник з впускним і випускним отворами, корпус з верхньою і нижньою ковадлу, клапанну коробку з впускним клапаном, з'єднану з циліндром, в якому розміщений поршень, пов'язаний з бойком, випускний клапан, встановлений у осьової проточку поршня і сполучений з впускним клапаном штовхачем, пусковий клапан і насосний блок.
Пристрій працює таким чином. Гідроударника у складі бурового снаряда спускається в свердловину і до нього подає рідину. Під дією тиску рідини поршень здійснює зворотно-поступальні рухи і завдає удари бойком на ковадлах. Розподіл рідини в гідроударника здійснюється впускним і випускним клапанами. Ударні імпульси, які генерує гідроударника, використовуються для виконання роботи з руйнування гірської породи. Хвостовик бойка приводить у рух насосний блок, який під час ходу поршня вгору всмоктує рідина з вибою, а під час ходу поршня вниз викидає рідину в свердловину, що забезпечує зворотний промивку вибою.
Цей гідроударника має недолік, який полягає в тому, що при його застосуванні перед початком рейсу неможлива промивка забою свердловини від шламу, а в продовження рейсу можлива тільки зворотній промивка забою свердловини, оскільки відпрацьована рідина викидається з гідроударника значно вище вибою. А це дозволяє застосовувати цей гідроударника лише за колонкового буріння, коли шлам збирається в колонкового трубі. При бескерновом бурінні використання гідроударника неможливо, тому що зруйнована порода не виноситься із забою свердловини, а в цьому випадку забій свердловини зашламовивается і, як наслідок, виникає аварія.
Цей гідроударника має недолік, який полягає в тому, що при його використанні неможливо виконувати промивання свердловини і її забою від шламу, наприклад перед початком рейсу, без включення в дію самого гідроударника. А це призводить до непродуктивних витрат потужності при промиванні свердловини.
Застосування запропонованого гідроударника дозволяє виключити непродуктивні витрати потужності при промиванні свердловини за рахунок забезпечення можливості перетікання рідини на вибій свердловини з одночасним відключенням гідроударника.
Планується виконати:
1. Аналіз сучасного стану гідроударних механізмів для буріння свердловин.
2. Аналіз існуючих методик розрахунків гідроударних механізмів для буріння свердловин.
3. Удосконалення методики розрахунку гідроударну механізму з урахуванням особливостей його робочого циклу.
4. Удосконалення конструкції гідроударника для буріння технічних і дегазаційних свердловин і технології його застосування.
Рис. 5 – Гідроударник для буріння технічних і дегазаційних свердловин (Подана заявка на корисну модель, та отримано позитивне рішення)
ВИСНОВКИ
У даній роботі запропонована схема гідроударника для буріння технічних і дегазаційних свердловин.
Крім цього, були прийняті раціональні параметри механізму.
У перспективі передбачається, що буде удосконалено методику розрахунку гідроударну механізму для буріння технічних і дегазаційних свердловин, а також передбачається застосування гідроударних механізмів для інтенсифікації шарошечного буріння або його повна заміна на ударно-обертальне.
Kemp G.
Oilwell Fishing
Operations:Tools and
Skeem M.R., Friedman M.B. and Walker B.H. Drillstring Dynamics During Jar Operation.- Journal of Petroleum Technology ,Nov., 1979.;