Кошеверова ЕВ Усовершенствование технической базы и технологии бесколонного бурения скважин при комбинированном разрушении донных пород

RUS | UKR | ENG || ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ

Кошеверова Екатерина Владимировна

Институт горного дела и геологии
Специальность: Бурение скважин

Тема магистерской работы:

Усовершенствование технической базы и технологии бесколонного бурения скважин при комбинированном разрушении донных пород

Научный руководитель: Калиниченко Олег Иванович

Реферат по теме выпускной работы

Введение

    Принципиальная новизна бесколонного метода проходки скважин с использованием комбинированного способа разрушения донных осадков, объективно обуславливает решение задач, связанных с выбором технологии и режимных параметров бурения на обрабатываемых интервалах скважины. Практически на сегодня не изученными являются процессы транспортировки и оседания продуктов размыва по стволу скважины особенно в периоды изменения режимов промывки при переходе от интенсивного гидромониторного разрушения пород на забое на режим промывки с пониженной подачей жидкости, соответствующей номинальной величине для работы многофункционального гидроударного бурового снаряда.
    Открытыми остаются вопросы, связанные с техническим обеспечением изменения способов и режимов разрушения осадков в процессе бурения. На сегодня существующее многообразие пусковых узлов [3], обеспечивающих оперативное изменение способа разрушения осадков на забое скважины обусловлено, прежде всего, недостаточной надежностью их срабатывания, при весьма сложной схеме настройки на заданный режим подачи насоса.
    Выделенные задачи существенным образом определяют показатели бесколонной проходки скважин. Их решение направлено на поиск и обоснование путей более полной реализации возможностей погружных буровых снарядов ПБС-127М и технологии многорейсового бурения скважин глубиной до 50 м с неспециализированного плавсредства без крепления ствола скважин, разрез которых сложен, в том числе мощными слоями песка и неустойчивых пород.
    Основная цель, которая решалась в процессе выполнения НИРС была направлена на повышение эффективности бурения неглубоких скважин в осадках морских акваторий с использованием погружных гидроударных буровых снарядов путем разработки технических положений, обеспечивающих расширение функций ПБС позволяющих снизить аварийные ситуации при выполнении бесколонной проходки скважин с комбинированным разрушением интервалов ствола скважины.
    Для реализации цели были выделены три задачи:
    1. Установить характер концентрации частиц песка в восходящем потоке воды по длине открытого ствола и оценить влияние распределения скоростей жидкости в поперечном сечение потока на характер концентрации частиц песка по длине открытого ствола, в том числе для условий, когда слои песка стеснены по вертикальному разрезу слоями глинистых пород.
    2. Разработать технологию и режимы восходящего потока воды, обеспечивающие безаварийное извлечение бурового снаряда после завершения этапа размыва и пробоотбора на заданном интервале скважины.
    3. Установить влияние конструктивных элементов пусковых узлов многофункционального гидроударного бурового снаряда на надежность срабатывания узлов в зависимости от условий эксплуатации погружных снарядов.

Актуальность темы:

    Принятая в 1996 году в Украине программа освоения морских углеводородных ресурсов, явилась толчком для активизации темпов и увеличения объемов инженерно-геологических изысканий на трассах трубопроводов и площадках постановки морских буровых платформ в украинском секторе шельфа Черного и акватории Азовского морей. Значительную долю этих изысканий составляют мелкие скважины. Глубина таких скважин, определяющаяся целевой направленностью работ, колеблется от 6 – 20 м при проектировании трас трубопроводов, до 50 – 150 м в местах постановки платформ [2].
    В пределах одной осваиваемой площади, особенно на стадии инженерно-геологической съемки скважины глубиной до 6 м составляют около 50% в общей структуре объемов буровых работ и достигают 500 – 1000 м на 1 кв. км акватории. Остальная часть примерно в равной пропорции приходится на скважины глубиной 20 – 50 м и 50 – 150 м.
    ГАО «Черноморнефтегаз», организация, которой поручено выполнение задач «Программы…», уже на стадии проектирования работ столкнулась с рядом технических и экономических проблем, возникших вследствие полного отсутствия в арсенале отечественного морского бурового производства необходимых технологических схем и технической базы для эффективной и рентабельной проходки мелких (от 6 м до 20 – 25 м) и средней глубины (25 – 50 м) инженерно-геологических скважин в условиях ярко выраженной геологической специфики осадочных накоплений акваторий Черного и Азовского морей. Эта специфика обусловлена высокой вероятностью чередования по вертикальному разрезу скважины илов, песков различной плотности, консистенции и гранулометрического состава, большого спектра пород глинистого комплекса. Причем мощность выделенных слоев донных осадков в зависимости от района работ даже при незначительном удалении точек опробования колеблется от 0 до 20 м и более.
    С точки зрения глубинности изысканий в соответствии с основными геолого-методическими и эксплуатационно-техническими требованиями к выбору рациональных способов бурения, проблема проходки скважин с отметкой забоя до 8 м вполне преодолима за счет использования легких установок типа УГВП-130/8, которые успешно эксплуатируются с борта неспециализированных судов малого и среднего водоизмещения [4,5].
    Для бурения более глубоких скважин необходимы специализированные буровые суда. В отечественном морском буровом производстве избирательность такого вида средств производства весьма ограничена. Сегодня Украина располагает единственным специализированным судном НИС «Диорит», которое укомплектовано серийным буровым агрегатом ЗИФ-1200 МР. Эксплуатационно-технические возможности судна обеспечивают вращательное бурение скважин глубиной до 150 м.
    В определенных горно-геологических условиях некоторые скважины, глубина которых может быть значительно меньше потенциала НИС «Диорит», могут проходиться с бурового судна по традиционной технологии вращательного бурения с использованием обсадных (водоотделяющих) колон. Однако, для отмеченной выше геологической специфики осадочных накоплений, задача получения нормативной геологической информации за счет применения вращательного способа проходки скважин, существенно ограничивается или становится невозможной [2].
    Дополнительным сдерживающим мотивом использования судов такого класса является их низкая рентабельность при выполнении больших объемов бурения скважин глубиной 20 – 50 м. Применение традиционной технологической схемы проходки скважин до отмеченных глубин предусматривает использование обсадных колонн. Это предполагает весьма жесткие требования к раскладке якорей, особенно при течениях свыше 1 м/с. Для обеспечения надежной стабилизации судна над устьем скважины количество якорей должно быть не менее 4-х. Как следствие, существенно увеличивается трудоемкость и период подготовительно – заключительных и вспомогательных операции. В этой ситуации коэффициент полезного использования бурового судна во времени, как правило, не превышает 20%, а затраты времени на перебазирование судна на новую точку в 8 – 10 раз превышают продолжительность чистого бурения скважины. Кроме того, традиционная технологическая схема бурения практически не допускает смещение судна относительно оси скважины и ограничивается 1,5…2-х бальным волнением моря [1,3]. Учитывая приведенное, а также высокую арендную стоимость специализированных плавсредств (8000 $ в сутки и более), которая в десятки раз превышает затраты на непосредственно процесс бурения скважин глубиной 20 – 50 м, применение судов класса «Диорит» для отмеченной области морского бурового производства становится экономически невыгодным.
    Поэтому реальным направлением повышения производительности и рентабельности бурения инженерно-геологических скважин средней глубины, которое выбрано специалистами Донецкого национального технического университета (ДонНТУ), является использование для этих целей легких технических средств (ЛТС). Такие, средства, как правило, эксплуатируются с борта неспециализированных судов, в том числе малого и среднего водоизмещения. В пользу последнего обстоятельства говорит объективный факт наличия в составе флота ГАО «Черноморнефтегаз» спасательных судов, морских буксиров и других неспециализированных судов, эксплуатационно-технические возможности которых приемлемы для реализации технологической схемы бурения мелких и средней глубины инженерно-геологических скважин.

Обзор исследований по теме в ДонНТУ

В период 1980 – 2000 г.г. в ДонНТУ разработана и внедрена погружная гидровибрационная установка УГВП-130/8, c помощью которой удалось технически решить проблему однорейсового бурения скважин глубиной 6-8 м с борта неспециализированных мало- и среднетоннажных судов. Применение УГВП-130/8 позволило значительно повысить технико-экономические показатели однорейсовой проходки скважин с борта малотоннажного судна НИС «Топаз» с производительностью до 2 скважин в час [5].
Новым этапом в развитии бурения инженерно-геологических скважин можно считать разработку технологической схемы бесколонного бурения скважин глубиной до 50 м. Схема предусматривает использование в течение рейса двух способов разрушения пород на забое: с отбором керна за счет частотно-ударного погружения бурового снаряда в осадки, а также без отбора керна за счет размыва пород на заданном или пройденном без крепления интервале.

Рис. 1. Схема ПБС-127М

Для реализации предложенной технологии пригодными оказались гидроударные погружные буровые снаряды ПБС-127, работающих в составе установок УГВП-130/8. Расширение сферы применения таких снарядов обеспечено за счет дополнительного оснащения гидроударника верхним и нижним пусковыми узлами для дистанционного изменения способа бурения в процессе рейса (рис.1). При этом с помощью верхнего узла (ВПУ) производится запуск гидроударника на фазе отбора керна, а нижним пусковым узлом (НПУ) создаются условия для работы ПБС-127 в режиме гидромониторного размыва пород при неработающем гидроударнике.

Рис. 2. Схема ВПУ с разовым запуском гидроударного механизма: 1 – шплинт; 2 – переходник; 3 – поршень; 4 – цилиндр-распределитель; 5 – шарик; 6 – пробка; Рк – распределительная коробка гидроударника;

    Выполненные по приведенной схеме снаряды, которым присвоен индекс ПБС-127М стали основным исполнительным элементом установок УМБ-130 и УМБ-130М, которые обеспечивают многорейсовое бесколонное бурение скважин глубиной до 25 м (УМБ-130) и до 50 м (УМБ-130М) с борта неспециализированных судов.
    Для бурения скважин глубиной до 50 м специалистами ДонНТУ была создана более тяжелая установка с индексом УМБ-130М. Основными элементами установки являются гидроударный буровой снаряд (типовой для УМБ-130), придонное основание (опора) для стабилизации бурового снаряда, система канатов, связывающих плавсредство и опору (рис. 2). Отличительной особенностью используемого в УМБ-130М гидроударного механизма является применение в его конструкции ВПУ с внешним управлением, с реализацией в нем изменения канализации жидкости только в одном направлении, заключающемся в смене режима «гидроразмыв интервала» на режим «бурение с отбором керна».
    Все элементы нового ВПУ (рис.2) размещаются в цилиндре переходника 2, в котором помещен поршень 3, зафиксированный в корпусе переходника шплинтами 1. Для запуска гидроударной машины при работе в режиме отбора керна (рис. 2, б), в нагнетательную линию сбрасывается шарик 5.

Рис. 3. Основные элементы и технологическая схема многорейсового бурения скважин установкой УМБ-130М: 1 – грузовая лебедка; 2 – буровая лебедка; 3 – питатель; 4 – регулировочный вентиль; 5 - буровой насос; 6 – груз; 7 – ролики опорных стоек; 8 - направляющий хомут; 9 - гидроударный механизм; 10 – опора; 11 – колонковый набор; 12 – опорное кольцо; 13 – капроновые скобы

При бурении скважин с помощью УМБ-130М технологический процесс разрушения породы на забое не отличается от принятого для установки УМБ-130.
Полученные результаты эксплуатации УМБ-130М позволяют оценить разработанную технологию многорейсового бурения скважин как достаточно эффективную. По сравнению с традиционной схемой проходки таких скважин стационарными буровыми станками вращательного бурения со специализированных буровых судов, использование установки УМБ-130М позволило повысить более чем в 5 раз производительность и рентабельность рассматриваемой области морского бурового производства.

Практическая ценность результатов работы:

    Вместе с тем, широкая эксплуатация установок постоянно требовала решения новых задач, направленных на повышение надежности и производительности разработанных агрегатов. При этом наиболее важной явилась задача снижения аварийных ситуаций, возникающих вследствие большой вероятности прихвата ПБС в скважине. Практически всегда при кратковременной остановке насоса, перед срывом керна, подъем снаряда затруднялся вследствие быстрого оседания песка, вследствие его неполного выноса из скважины.
    При бурении скважины ИГ-3 на Субботинском нефтегазовом месторождении в результате перегруза мощности электродвигателя бурового насоса сработала судовая защита. В это время буровой снаряд работал в режиме отбора керна и находился под 20-метровой толщей песка на глубине 24 м.
    Анализ случившейся в скважине аварии позволил авторам публикации [3] выделить наиболее вероятную причину весьма быстрого прихвата ПБС (от момента отключения энергопитания до повторного его включения прошло менее 3-х минут). Сделано предположение, что при отключении насоса и отсутствии восходящего движения жидкости по стволу скважины процесс оседания шлама происходит весьма быстро. При переходе от фазы гидроразмыва осадков до фазы пробоотбора при работающем гидроударнике, в скважине формируется зона, где в процессе ее промывки часть песка находится во взвешенном состоянии практически не меняя свою вертикальную координату. Остановка движения жидкости приводит к почти мгновенному оседанию таких частиц и заполнению ими всего объема кольцевого зазора между ПБС и стенками скважины. Поэтому достаточно важное значение приобретают исследования, направленные на решение задачи снижения аварийных ситуаций в скважине.

Основные результаты

При изучении характера движения твердых частиц в восходящем потоке жидкости, использовались эксперементальные исследования Шумилова Л.П. Для использования предложенной им схемы расчета и установления взаимосвязи подачи насоса и скорости потока воды по стволу скважины, необходимы дополнительные данные: диаметр скважины и размер частиц песка.

Рис. 4. Распределение скоростей потокапо стволу скважины при подаче насоса 300 л/мин; 2 - участок резкого увеличения сечения ствола; 3 - зона прилипания.

Рис. 4a. Характер спектра потока при подаче жидкости 300 л/мин. Анимация состоит из 9 кадров, задержка до повторного воспроизведения составляет 100 мс, количество циклов воспроизведения ограничено 10-ю, размер анимации – 108 КБ

Задача по определению диаметра скважины и характер распределение скорости потока воды по сечению ствола скважины решалась путем моделирования системы «буровой снаряд – скважина». При составлении модели использованы фактические размеры ПБС-127М и режимы привода. Это подача насоса – 300 л/мин при пробоотборе и 500 л/мин при гидроразмыве. Для решения данной задачи использовалась компьютерная программа АНСИС. Полученные данные в виде графического и цифрового материала фиксировали фактический диаметр скважины и скорость потока жидкости по стволу скважины. При этом увеличение диаметра ствола скважины по сравнению с диаметром ПБС (по диаметру наружной колонковой трубы 127 мм) на 11 мм (при расходе жидкости 300 л/мин) и на 31 мм (при расходе жидкости 500 л/мин) выделялось из условия размыва с-з песка при критической скорости воды (0,15 – 0,25 м/с) на контакте со стенкой скважины.
Приведенные данные свидетельствуют о предполагаемом характере эрозии стенок скважины по длине ПБС-127М и формирование зон перемещения песка над пробоотборником, на участке резкого увеличения сечения потока жидкости. При расходе жидкости 300 л/мин (Рис 4, 4а) видны значительные размеры «мертвых» зон скопления частиц песка. Кроме того скорость движения твердых частиц в потоке воды (0,15 – 0,2 м/с), не превышает критического значения для ее выноса за пределы скважины. Песок в большей части находится во взвешенном состоянии.

Рис. 5a. Характер спектра потока при подаче жидкости 300 л/мин.

Рис. 5. Распределение скоростей потокапо стволу скважины при подаче насоса 300 л/мин; 2 - участок резкого увеличения сечения ствола; 3 - зона прилипания.

При увеличении расхода до 500 л/мин (Рис.5, 5а) видно, что эти зоны практически разрушены, а скорость движения твердых частиц по стволу (0,35 – 0,5 м/с), превышает критическую для их выноса.
Предварительный вывод предполагает необходимость изменения режима промывки скважины в период пробоотбора при сниженной подаче насоса. Расход жидкости должен соответствовать условию создания скорости восходящего потока по стволу скважины с обеспечением максимального выноса песка из скважины. Такая задача может быть решена, например, использованием делителя потока, устанавливаемого над ПБС, обеспечивающего необходимую подачу насоса для работы гидроударного механизма, при увеличенном расходе жидкости, поступающем в скважину.

Рис. 6. а) – Конструкции верхнего (ВПУ) и нижнего (НПУ) пусковых узлов бурового снаряда ПБС-127М; б) – конструкция разработанного универсального пускового узла с делителем потока жидкости:1 – переходник; 2 – распределительная коробка; 3 – переходник с корпусом снаряда; 4 – шток ВПУ; 5 – пусковой клапан ВПУ; 6 – цилиндр ВПУ; 7 – распределительная коробка гидроударника; 8 – пружина ВПУ; 9 - шток НПУ; 10 – клапан НПУ; 11 – Цилиндр НПУ; 12 – пружина НПУ; 13,14 - наружная и внутренняя колонковые трубы

    Поэтому в последующих конструкциях ПБС-127М использован распределительный узел клапанного типа. Основным элементом ВПУ является подпружиненный клапан 5, который, при работающем гидроударнике, перекрывает радиальные каналы «б» в штоке 4, разделяя зону высокого давления (рабочую камеру цилиндра гидроударника) с зоной низкого давления (полости и каналы выхода отработанной в гидроударнике жидкости в скважину).
    Срабатывание узла для оперативной смены способа бурения, обеспечивается увеличением расхода жидкости и достигается с помощью регулировочного вентиля, которым традиционно оборудуется нагнетательная линия обвязки насоса.
    Повышенный расход жидкости обусловливает рост перепада в камерах цилиндра ВПУ, что приводит к смещению клапана 5 вниз. При посадке клапана 5 в седло, выполненное в цилиндре 6 одновременно открываются радиальные окна «б» штока 4. Поток жидкости через радиальный канал «а» распределительной коробки 3 свободно проходит по кольцевому сечению гидроударника и каналы нижней наковальни, в камеру НПУ. При этом за счет перепада давления в камере НПУ пусковой клапан 10 НПУ садится в седло цилиндра 11, одновременно открывая радиальные каналы «в» в штоке 9 НПУ. Жидкость направляется внутрь колонковой трубы 14, и далее на забой скважины, обеспечивая размыв породы.
    В исходное состояние клапаны НПУ и ВПУ возвращается пружинами, соответственно 8 и 12 при снижении подачи жидкости в напорную линию.
    При решении задачи создания универсального ВПУ с делителем потока за основу принята конструкция выше приведенного ВПУ. Чертеж разработанного ВПУ показан на рис. 6,б.
    В отличие от применяемого ВПУ, в конструкцию узла дополнительно введен подпружиненный клапан 14, размещенный над штоком ВПУ. В штоке 4 под торцом пускового клапана 5 выполнены калиброванные делительные отверстия «г».
    При повышенной подаче жидкости (420 – 450 л/мин) часть ее (150 – 180 л/мин) через делительные отверстия «г», канал клапана 14 и боковые отверстия «д» выходит в скважину через смещенные отверстия, выполненные в переходнике 2.
    На фазе гидроразмыва, подача насоса увеличивается до 500 – 550 л/мин. Это приводит к срабатыванию ВПУ. Клапан 5 садится в седло цилиндра 6, одновременно открываются окна «б». За счет скоростного напора и увеличенному перепаду давления на клапане 14, последний, сжимая пружину, перемещается вверх, закрывая отверстия «д». При этом весь поток устремляется в камеру НПУ.

Заключение

Приведенная конструкция является этапом совершенствования ПБС-127, а его использование может повысить надежность эксплуатации установок при бесколонном бурении скважин глубиной до 50 м.

Литература

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.
Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. Разработка погружных гидроударных снарядов для бурения подводных разведочных скважин со специализированных плавсредств. //Сб. научн. трудов. – Вып.8. – Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля НАН Украины, 2005. – с. 92 – 95.
Калиниченко О.И., Зыбинский П.В, Каракозов А.А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отд.), 2007. – 270 с.
Неудачин Г.И., Коломоец А.В., Калиниченко О.И. Опыт применения погружных гидровибрационных буровых установок для взятия проб донных отложений на шельфе морей Дальнего Востока.// Техн. и технол. геол.-развед. работ; орг. произва; Экспресс-информация. /ВИЭМС. – М., 1977. №5. – с.1 – 11.
Применение погружных автономных установок для однорейсового бурения подводных скважин /Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Квашин Е.В. и др. // Техн. и технол. геол.развед. работ; орг.пр-ва. Обзор /ВИЭМС. – М.,1988. – Вып.2. – 46 с.
Гидравлика в бурении (Вопросы теории и практики). Труды ВНИИБТ – М: Недра, 1965. – Вып.15. – с. 82 – 105.
Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992 – 672 с.: ил.

В данный момент магистерская работа находится на стадии разработки. Плсле декабря 2010 года полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя.

ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел
© ДонНТУ 2010, Кошеверова Екатерина