1.2 Забойный механический (зубчатый) вибратор ЗВ-2
1.3 Гидравлические ударные механизмы
1.3.1 Гидроударник фирмы «Галф Ойл Корпорейшин»
2. Описание разработанного механизма
Одной из основных причин, снижающих эффективность разведочных буровых работ, является наличие аварий, на ликвидацию которых затрачивается около 7 – 8% времени от бурения скважин.
Самым распространенным и сложным видом аварий является прихват бурового снаряда - авария в скважине, характеризующаяся частичным или полным прекращением движения бурового снаряда, при которой находящуюся в скважине колонну нельзя свободно поднять.
На ликвидацию таких аварий затрачивается в среднем от 30 до 80% непроизводительных затрат времени и средств. С ростом глубин бурения скважин сложность и тяжесть прихватов, а также процесса их ликвидации непрерывно возрастают.
Прихваты бурового снаряда являются весьма многочисленной группой аварий, отличающихся наибольшим количеством видов.
1. Прихват бурового снаряда шламом.
Этот тип аварий – самый многочисленный в группе прихватов. Чаще всего прихват возникает при прекращении циркуляции промывочной жидкости, когда шлам оседает в кольцевом зазоре между колонковом набором и стенками скважины (при прямой схеме циркуляции жидкости) или между внутренний поверхностью колонковой трубы и керном (при обратной схеме циркуляции). Если шлама много, то он может накапливаться также над переходником или шламовой трубой, заклинивая снаряд не только по боковой поверхности, но и сверху.
Часто такие прихваты возникают при бурении в интервалах частичного, полного и катастрофического поглощения промывочной жидкости.
2. Прихват бурового снаряда керном.
Такая авария возникает при подъеме бурового снаряда, во время которого из колонковой трубы могут выпадать отдельные куски керна, располагающиеся в стенках скважины и желобах на различных интервалах. При последующем спуске коронка расклинивается между стенкой скважины и керном, вызывая прихват снаряда.
3. Прихват бурового снаряда глинистой коркой.
Такой вид прихвата происходит за счет прилипания бурового снаряда к глинистой корке под действием перепада давления жидкости или адгезии.
Факторами, способствующими возникновению такой аварии, являются: наличие пористых и проницаемых пород; разность между гидростатическим и пластовым давлениями; малый зазор между бурильными и колонковыми трубами и стенками скважины; толстая, рыхлая и липкая глинистая корка.
4. Прихват бурового снаряда в результате обвала стенок скважины.
Значительное число прихватов обусловлено обвалом стенок скважины при бурении неустойчивых, слабо связных, трещиноватых пород, тектонических и закарстованных зон.
Если обрушаются стенки скважины на значительном интервале, то циркуляция прекращается и не восстанавливается. Осыпающаяся порода скапливается в стволе, образуя висячие пробки над забоем. Основной причиной этих осложнений в осадочных толщах следует считать физико-химическое воздействие промывочной жидкости на породу.
Обвалы наблюдаются также при резком снижении уровня жидкости в скважине после подъема снаряда на поверхность.
В скальных породах вывалы возможны только при механическом воздействии бурильной колонны. Прихват снаряда из-за обвала стенок может встречаться при углубке, спуско-подъемных операциях, заклинивании керна, проработке и расширении ствола, ликвидации аварий, извлечении обсадных труб.
Для выбора метода и технологии ликвидации аварии различают:
Верхний прихват, когда колонковый набор зажимается породой только выше переходника или шламовой трубы.
Боковой прихват, когда горная порода попадает в кольцевой зазор между трубами и стенками скважины и препятствует вращению и извлечению снаряда на поверхность.
Полный прихват, когда колонковый набор раскреплен и по боковой поверхности и сверху (инструмент не вращается и не перемещается).
5. Прижог породоразрушающего инструмента.
Под прижогом понимается прихват бурового снаряда, вызванный спеканием матрицы алмазной коронки с горной породой или шламом. Причиной этого является полное отсутствие или недостаточная подача промывочной жидкости на забой, в результате чего коронка и порода (шлам) нагреваются за счет трения до высоких температур и спекаются или свариваются между собой.
6. Прихваты бурового снаряда металлическими осколками и посторонними предметами.
Существуют два типа таких аварий:
а) Прихват бурового снаряда полосами и кусками металла находящимися в скважине. Происходят они в процессе или после разбуривания и фрезерования колонковых труб и коронок – за счет неполного удаления оставленных осколков, попадания последних в каверны и трещины.
б) Расклинивание инструмента предметами, упавшими с поверхности (гайки, зажимные плашки, ключи и прочими).
При сочетании описанных выше прихватов возникают сложные (комбинированные) прихваты [2].
Цель работы: исследовать рабочий цикл и на основании полученных результатов разработать конструкцию включаемого в состав бурового снаряда гидравлического ударного устройства для ликвидации прихватов.
Задачи исследований:
1. Выбрать принципиальную схему гидравлического устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда, обеспечивающую получение высокой энергии удара.
2. Математически описать движение поршня-бойка устройства во время рабочего цикла. Разработать методику расчета гидравлического устройства.
3. Разработать конструкцию гидравлического устройства для ликвидации прихвата колонны бурильных труб СБТМ-50.
4. Описать работу клапанного узла.
Разработка и внедрение эффективных методов и технических средств предупреждения и ликвидации прихватов являются одной из актуальных проблем бурения технических скважин.
Для ликвидации прихвата бурового снаряда применяют выбивную бабу (рис. 1.1). Масса этого типа аварийного инструмента составляет 50-100 кг. Бабу надевают на верхнюю бурильную трубу, в которую ввинчивают пробку и наносят удары по ней снизу вверх. Движение бабы вверх осуществляется вручную с помощью каната, перекинутого через блок.
Ликвидировать аварию с помощью ударной бабы при глубине прихвата более 50-100 м удается в редких случаях вследствие интенсивного затухания собственных колебаний колонны бурильных труб.
Забойные механические (зубчатые) вибраторы применяются для ликвидации прихватов буровой колонны за счет наложения ударных импульсов на растянутую колонну. Возникающие осевые перемещения прихваченной колонны снижают силу сцепления между породой и трубами, в связи с чем требуется значительно меньшее осевое усилие для сдвига прихваченной колонны, чем при работе с домкратом.
Разработано несколько конструкций зубчатых вибраторов.
Наиболее простой по устройству вибратор ЗВ-2 (рис. 1.2) состоит из верхнего переходника 1 с двумя кулачками 2, полого штока 3, верхней зубчатой полумуфты 4, корпуса 6, нижней зубчатой полумуфты 5, закрепленной на штоке 3 гайкой, трубы 7, изолированной от камеры сальником, переходника-отсоединителя 8, метчика 9 для соединения с обратной трубой.
После соединения вибратора с аварийным снарядом дают натяжку колонне бурильных труб, при этом кулачки 2 выходят из зацепления, а зубья нижней полумуфты 5 входят в зацепление с верхней полумуфтой 4. От вращения растянутой колонны косые зубья нижней полумуфты будут соскакивать с зубьев верхней полумуфты и наносить по ней удары, которые передаются на прихваченный инструмент [8].
Одним из наиболее перспективных устройств ликвидации прихватов являются гидравлические ударные механизмы, которые в зависимости от направленности воздействия рабочей жидкости на поршень-боек подразделяются на две группы.
1. Гидроударные механизмы одинарного действия с одной рабочей полостью цилиндра, у которых один ход бойка совершается под действием промывочной жидкости, другой – за счет силы пружины или собственного веса бойка.
В свою очередь гидроударные механизмы одинарного действия подразделятся на:
1.1. Гидроударные механизмы с прямым активным ходом, характеризующиеся тем, что в них эффективная энергия от источника отбирается на рабочем ходе. При этом часть ее передается бойку, а часть накапливается в пружине, за счет которой обеспечивается холостой ход.
1.2. Гидроударные механизмы обратного действия, характеризующиеся тем, что в них энергия потока отбирается на холостом ходе бойка и накапливается, в основном, в пружине в виде потенциальной энергии сжатия. Разгон бойка и удар его по наковальне осуществляется под действием веса бойка и энергии упругого элемента. Подъем происходит под действием давления жидкости, поступление которой в рабочую полость цилиндра регулируется распределительным устройством.
2. Гидроударные механизмы двойного действия, с двумя рабочими полостями цилиндра, у которых возвратно-поступательное движение бойка обеспечивается энергией потока жидкости без участия пружин.
Гидроударные механизмы двойного действия по исполнению гидродвигателя и характеру рабочего процесса разделяют на два основных вида.
К первому можно отнести гидроударные механизмы, у которых имеются две рабочие полости цилиндра, контролируемые водораспределительными устройствами.
Ко второму – гидроударные механизма со ступенчатым (дифференциальным) поршнем, разделяющим цилиндр на две камеры, из которых только одна контролируется водораспределительным устройством.
Рассмотрим гидроударную машину относящуюся к гидроударным механизмам одинарного действия с обратным активным ходом.
Как правило, такие гидроударники выполняются со связью надпоршневого пространства с затрубным через канал в бойке [1].
На рис. 1.3.1 приведена принципиальная схема гидроударника фирмы «Галф Ойл Корпорейшин».
Элементы машины (рис. 1.3.1а) находятся в положении, соответствующему спуску гидроударника в скважину. Наковальня находится в нижнем положении, удерживаясь на внутреннем выступе корпуса. Жидкость из колонны бурильных труб через переходник 1 свободно проходит через полости 3 и 5, боковые отверстия 14, канал16 в клапане 6, канал 19 в бойке 10 и каналы 20 и 21 в наковальне 11 и долоте 12. При таком положении элементов машина не работает.
При постановке инструмента на забой (рис. 1.3.1б) долото с бойком и клапаном поднимаются, перекрывая проход жидкости через каналы 14. В камере 5 резко повышается давление (по закону гидравлического удара). При давлении жидкости на нижнюю полость поршня 7 образуется подъемная сила, под влиянием которой боек 10 перемещается вверх. При этом сжимаются пружины 2 и 9. Когда клапан подходит к нижней кромке корпуса клапана 4, полость 15 через боковые каналы 17 сообщается с камерой пониженного давления 13, которая соединена с полостью скважины. Верхняя ступенька тарелки клапана 18 перекрывает камеру 15 и, под давлением жидкости на заплечики тарелки клапана 18 последний отрывается от поршня, освобождая проход жидкости в скважину. Этот период сопровождается резким падением давления в машине – фаза разгона бойка на холостом ходе.
Боек усилием предварительно сжатой пружины 9 падает вниз – фаза рабочего хода бойка.
В крайнем нижнем положении боек наносит удар по наковальне 11, жестко связанной с долотом 12 . В это время клапан 6 усилием пружины 2 возвращается в нижнее исходное положение – фаза удара по наковальне и простоя в этом положении в ожидании закрытия клапана. Цикл повторяется [1].
Гидроударник ЗУГ-1 (рис. 1.3.2) имеет менее сложное распределительное устройство по сравнению с выше рассмотренным механизмом.
Отличительной особенностью конструкции ЗУГ-1 является наличие клапана 3, расположенного в седле 4, которое установлено в неподвижном цилиндре 2, при этом клапан открывается ударом толкателя, крепленного на поршне 6.
На рис. 1.3.2 показан момент, когда клапан 3 закрыт, и под действием давления происходит подъем бойка 8.
Рабочий цикл гидроударника состоит из четырех фаз. Первая – закрытие клапана 3 под действием обтекающего (скоростного) потока жидкости. Вторая – подъем бойка вверх при закрытом клапане под действием давления жидкости. Третья – движение бойка вверх по инерции после открытия клапана. Четвертая – рабочий ход бойка вниз и удар по наковальне 9 [1].
Гидравлическое устройство (рис. 2), выполненное по схеме гидроударника с обратным активным ходом бойка. Состоит из корпуса 2, в верхней части соединенного с переходником 1 на колонну бурильных труб. В корпусе установлен клапан 3 с перепускными (байпасными) каналами 5, подпружиненный посредством пружины 4, и боек 10 с боковыми каналами 9 и 12, подпружиненный посредством пружины 11.
В клапане 3 и бойке 10 имеется осевой канал 6 для прохода жидкости. В хвостовике бойка установлена втулка с обратным клапаном 13. Фиксируется обратный клапан срезным штифтом 15. Обратный клапан 13 сбрасывается с поверхности с потоком бурового раствора.
В нижней части корпус 2 присоединяется к переходнику 18 на колонковую трубу. Переходник 18 имеет выводные каналы 17 для выхода рабочей (промывочной) жидкости в затрубное пространство.
Устройство работает следующим образом:
Принцип действия
При постоянном включении устройства в колонну бурильных труб шары 8 и 13 отсутствуют. Втулка 14 перекрывает боковые отверстия в бойке. При возникновении прихвата с потоком промывочной жидкости сбрасывают шар 13, который устанавливается во втулке 14 и перекрывают проход для промывочной жидкости. Боек 10 сжимая пружину 11 начинает двигаться вниз, при этом втулка 14 обратного клапана срезает штифт 15 и садится на упор 16 хвостовика бойка 10. Боковые каналы 12 бойка открываются, давление в системе падает и боек 10 за счет пружины 11 возвращается в исходное положение.
С поверхности сбрасывают шарик 8, который перекрывает осевой канал 6 бойка 10. Над клапаном 3 возрастает давление и клапан 3 вместе бойком 10 начинает двигаться вниз, сжимая пружины 4 и 11. При попадании перепускных каналов 5 клапана в полость низкого давления. Давление над клапаном падает и посредством пружины 4 клапан 3 возвращается в исходное положение. Боек 10 по инерции продолжает свое движение вниз до полной остановки. После чего пружиной 11 боек возвращается вверх и в конце рабочего хода наносит удар по наковальне 7. Над клапаном 3 возрастает давление и цикл повторяется.
Преимущества разработанного механизма
Преимуществом данного устройства, является то, что устройство включается в состав бурового снаряда, а также используется пусковой клапан вместо обратного. Это позволяет экономить время для пуска, так как не требуется развинчивать 2 раза колонну бурильных труб ( для сбрасывания шарика в обратный клапан и для спуска пробки, перекрывающей центральный канал ударника). Применение шарика вместо пробки с устройством для сбрасывания шарика не развинчивая колонну труб позволяет сразу отреагировать на прихват и запустить вибратор.
Калиниченко О.И., Зыбинский П.В.. Забойные буровые машины: Учебное пособие. – 2-е изд.,исправл. и доп.- Донецк: ДонНТУ, 2006
Коломоец А.В., Ветров А.К.Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении. – М.: Недра, 1977. – 200с.
Самотой А.К. Анализ эффективности способов ликвидации прихватов. - М.: ВНИИОЭИГ, 1983. - 67 с.
Инструкция по борьбе с прихватами колонн труб при бурении скважин. - М.: Недра, 1976. - 67 с.
Ясов В.Г., Мыслюк М.А. Осложнения в бурении: Справочное пособие. – М.:Недра, 1991.– 334 с.
Коломоец А.В. Предупреждение и ликвидация аварий в разведочном бурении. – М.;Недра,1985. – 224с.
Неудачин Г.И., Коломоец А.В., Калиниченко О.И., Пилипец В.И. Новые технические средства ликвидации аварий при бурении скважин // Уголь Украины. – 1981. – N10. – C.27–29.
Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий и осложнений в бурении.– М.:Недра, 1987. – 238 с.
Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. – М.:Недра Д 988. – 279 с.
Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. - М.:Недра, 1967. - 168 с.
В данный момент магистерская работа находится на стадии разработки. После декабря 2011 года полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя