1.2 Вибівний механічний (зубчастий) вібратор ЗВ-2
1.3 Гідравлічні ударні механізми
1.3.1 Гідроударник фірми "Галф Ойл Корпорейшин"
Однією з основних причин, що знижують ефективність розвідувальних бурових робіт, є наявність аварій, на ліквідацію яких витрачається близько 7 - 8% часу від буріння свердловин.
Найпоширенішим і складним видом аварій є прихват бурового снаряда - аварія в свердловині, що характеризується частковим або повним припиненням руху бурового снаряда, під час якої колону, яка знаходиться в свердловині, не можна вільно підняти.
На ліквідацію таких аварій витрачається в середньому від 30 до 80% непродуктивних витрат часу і коштів. Зі зростанням глибин буріння свердловин складність і тяжкість прихватів, а також процесу їх ліквідації безперервно зростають.
Прихвати бурового снаряда є досить численною групою аварій, що відрізняються найбільшою кількістю видів.
1. Прихват бурового снаряда шламом.
Цей тип аварій - найчисленніший у групі прихватів. Найчастіше прихват виникає при припиненні циркуляції промивної рідини, коли шлам осідає в кільцевому зазорі між колонковим набором і стінками свердловини (при прямій схемі циркуляції рідини) або між внутрішньою поверхнею колонкової труби і керном (при зворотній схемі циркуляції). Якщо шламу багато, то він може накопичуватися також над перехідником або шламової трубою, заклинюючи снаряд не тільки по боковій поверхні, але й зверху.
Часто такі прихвати виникають при бурінні в інтервалах часткового, повного і катастрофічного поглинання промивної рідини.
2. Прихват бурового снаряда керном.
Така аварія виникає при підйомі бурового снаряда, під час якого з колонкової труби можуть випадати окремі шматки керна, розташовані в стінках свердловини і жолобах на різних інтервалах. При подальшому спуску коронка розклинюється між стінкою свердловини і керном, викликаючи прихват снаряда.
3. Прихват бурового снаряда глинистою кіркою.
Такий вид прихвата відбувається за рахунок прилипання бурового снаряда до глинистої кірки під дією перепаду тиску рідини або адгезії.
Факторами, що сприяють виникненню такої аварії, є: наявність пористих і проникних порід; різниця між гідростатичним і пластовим тисками; малий зазор між бурильними і колонковими трубами і стінками свердловини; товста, пухка і липка глиниста кірка.
4. Прихват бурового снаряда в результаті обвалу стінок свердловини.
Значна кількість прихватів обумовлено обвалом стінок свердловини при бурінні нестійких, слабо зв'язних, тріщинуватих порід, тектонічних і закарстованих зон.
Якщо обрушаются стінки свердловини на значному інтервалі, то циркуляція припиняється і не відновлюється. Порода, що обсипається, накопичується в стовбурі, утворюючи висячі пробки над вибоєм. Основною причиною цих ускладнень в осадових товщах слід вважати фізико-хімічний вплив промивної рідини на породу.
Обвали спостерігаються також при різкому зниженні рівня рідини в свердловині після підйому снаряда на поверхню.
У скельних породах вивали можливі тільки при механічному впливі бурильної колони. Прихват снаряда через обвал стінок може зустрічатися при поглибленні, спуско-підйомних операціях, заклинюванні керна, опрацюванні і розширенні стовбура, ліквідації аварій, вилучені обсадних труб.
Для вибору методу і технології ліквідації аварії розрізняють:
Верхній прихват, коли колонковий набір затискається породою тільки вище перехідника або шламової труби.
Бічний прихват, коли гірська порода потрапляє в кільцевий зазор між трубами і стінками свердловини і перешкоджає обертанню і вилученню снаряда на поверхню.
Повний прихват, коли колонковий набір раскреплена і по боковій поверхні і зверху (інструмент не обертається і не переміщається).
5. Прижоги породоруйнуючого інструменту.
Під прижогом розуміється прихват бурового снаряда, викликаний спіканням матриці алмазної коронки з гірською породою або шламом. Причиною цього є повна відсутність або недостатня подача промивної рідини на вибій, в результаті чого коронка і порода (шлам) нагріваються за рахунок тертя до високих температур і спікаються або зварюються між собою.
6. Прихвати бурового снаряда металевими уламками і сторонніми предметами.
Існують два типи таких аварій:
а) Прихват бурового снаряда смугами і шматками металу знаходяться у свердловині. Відбуваються вони в процесі чи після розбурювання і фрезерування колонкових труб та коронок - за рахунок неповного видалення залишених уламків, попадання останніх у каверни і тріщини.
б) Розклинювання інструменту предметами, що впали з поверхні (гайки, затискні плашки, ключі та іншими).
При поєднанні описаних вище прихватів виникають складні (комбіновані) прихвати [2].
МЕТА РОБОТИ - дослідити робочий цикл і на підставі отриманих результатів розробити конструкцію гідравлічного ударного пристрою для ліквідації прихватів, який включається до складу бурового снаряда.
ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ:
1. Вибрати принципову схему гідравлічного пристрою для ліквідації прихватів бурового снаряда, що забезпечує отримання високої енергії удару.
2. Математично описати рух поршня-бійка пристрою під час робочого циклу. Розробити методику розрахунку гідравлічного пристрою.
3. Розробити конструкцію гідравлічного пристрою для ліквідації прихвата колони бурильних труб СБТМ-50.
4. Математично описати клапанний вузол гідроударника.
Розробка і впровадження ефективних методів і технічних засобів попередження та ліквідації прихватів є однією з актуальних проблем буріння технічних свердловин.
Для ліквідації прихвата бурового снаряда застосовують вибівну бабу. Маса цього типу аварійного інструменту складає 50-100 кг. Бабу надягають на верхню бурильну трубу, до якої угвинчують пробку і завдають ударів по ній знизу вгору. Рух баби угору здійснюється вручну за допомогою каната, перекинутого через блок.
Ліквідувати аварію з допомогою ударної баби при глибині прихвата більше 50-100 м вдається в рідкісних випадках внаслідок інтенсивного загасання власних коливань колони бурильних труб.
Забійні механічні (зубчасті) вібратори застосовуються для ліквідації прихватів бурової колони за рахунок накладення ударних імпульсів на розтягнуту колону. Виникаючі осьові переміщення прихопленої колони знижують силу зчеплення між породою і трубами, у зв'язку з чим потрібна значно менше осьове зусилля для зрушення прихопленої колони, ніж при роботі з домкратом.
Розроблено кілька конструкцій зубчастих вібраторів.
Найбільш простий з облаштування вібратор ЗВ-2 (рис. 2) складається з верхнього перехідника 1 з двома кулачками 2, полого штока 3, верхньої зубчастої напівмуфти 4, корпусу 6, нижньої зубчастої напівмуфти 5, закріпленої на штоку 3 гайкою, труби 7, ізольованою від камери сальником, перехідника-отсоедінітеля 8, мітчика 9 для з'єднання з зворотною трубою.
Після з'єднання вібратора з аварійним снарядом дають натяжку колоні бурильних труб, при цьому кулачки 2 виходять із зачеплення, а зуби нижньої напівмуфти 5 входять у зачеплення з верхньою напівмуфти 4. Від обертання розтягнутої колони косі зуби нижньої напівмуфти будуть зіскакувати з зубців верхній напівмуфти і наносити по ній удари, які передаються на прихоплений інструмент [8].
Одним з найбільш перспективних пристроїв ліквідації прихватів є гідравлічні ударні механізми, які залежно від спрямованості впливу робочої рідини на поршень-бойок поділяються на дві групи.
1. Гідроударні механізми одинарної дії з однією робочою порожниною циліндра, у яких один хід бійка відбувається під дією промивної рідини, інший - за рахунок сили пружини або власної ваги бійка.
У свою чергу гідроударні механізми одинарної дії поділяються на:
1.1. Гідроударні механізми з прямим активним ходом, характеризуються тим, що в них ефективна енергія від джерела відбирається на робочому ході. При цьому частина її передається бійку, а частина накопичується в пружині, за рахунок якої забезпечується холостий хід.
1.2. Гідроударні механізми зворотного дії, які характеризуються тим, що в них енергія потоку відбирається на холостому ході бійка і накопичується, в основному, в пружині у вигляді потенційної енергії стиснення. Розгін бійка і удар його по наковальні здійснюється під дією ваги бійка і енергії пружного елемента. Підйом відбувається під дією тиску рідини, надходження якої в робочу порожнину циліндра регулюється розподільчим пристроєм.
2. Гідроударні механізми подвійної дії, з двома робочими порожнинами циліндра, у яких зворотно-поступальний рух бійка забезпечується енергією потоку рідини без участі пружин.
Гідроударні механізми подвійної дії по виконанню гідродвигуна і характеру робочого процесу поділяють на два основних види.
До першого можна віднести гідроударні механізми, у яких є дві робочі порожнини циліндра, контрольовані водорозподільні пристроями.
До другого - гідроударні механізми зі ступінчастим (диференціальним) поршнем, що розділяє циліндр на дві камери, з яких тільки одна контролюється водорозподільним пристроєм.
Розглянемо гідроударну машину, яка відноситься до гідроударних механізмів одинарної дії із зворотним активним ходом.
Як правило, такі гідроударники виконуються зі зв'язком надпоршневого простору з затрубним через канал у бійку [1].
На рис. 1.3.1 наведена принципова схема гідроударника фірми «Галф Ойл Корпорейшин».
Елементи машини (рис.1.3.1а) знаходяться в положенні, відповідному спуску гідроударника в свердловину. Ковадло знаходиться в нижньому положенні, утримуючись на внутрішньому виступі корпусу. Рідина з колони бурильних труб через перехідник 1 вільно проходить через порожнини 3 і 5, бічні отвори 14, канал16 в клапані 6, канал 19 в бійку 10 і канали 20 і 21 у ковадлі 11 і долоті 12. При такому положенні елементів машина не працює.
При постановці інструменту на вибій (рис.1.3.1б) долото з бійком і клапаном піднімаються, перекриваючи прохід рідини через канали 14. У камері 5 різко підвищується тиск (за законом гідравлічного удару). При тиску рідини на нижню порожнину поршня 7 утворюється підйомна сила, під впливом якої бйок 10 переміщується вгору. При цьому стискаються пружини 2 і 9. Коли клапан підходить до нижньої крайки корпусу клапана 4, порожнину 15 через бічні канали 17 сполучається з камерою зниженого тиску 13, яка з'єднана з порожниною свердловини. Верхня сходинка тарілки клапана 18 перекриває камеру 15 і, під тиском рідини на заплечики тарілки клапана 18 останній відривається від поршня, звільняючи прохід рідини в свердловину. Цей період супроводжується різким падінням тиску в машині - фаза розгону бійка на холостому ході.
Бійок зусиллям попередньо стиснутої пружини 9 падає вниз - фаза робочого ходу бійка.
У крайньому нижньому положенні бійок завдає удар по ковадлу 11, жорстко пов'язаного з долотом 12. У цей час клапан 6 зусиллям пружини 2 повертається в нижнє вихідне положення - фаза удару по ковадлу і простою в цьому положенні в очікуванні закриття клапана. Цикл повторюється [1].
Гідроударник ЗУГ-1 (рис. 1.3.2) має менш складний розподільний пристрій у порівнянні з вище розглянутим механізмом.
Відмінною особливістю конструкції ЗУГ-1 є наявність клапана 3, розташованого в сідлі 4, яке було встановлено в нерухомому циліндрі 2, при цьому клапан відкривається ударом штовхача, який закріплений на поршні 6.
На рис.4 зображений момент, коли клапан 3 закритий, і під дією тиску відбувається підйом бійка 8.
Робочий цикл гідроударника складається з чотирьох фаз. Перша - закриття клапана 3 під дією обтікающего (швидкісного) потоку рідини. Друга - підйом бійка вверх при закритому клапані під дією тиску рідини. Третя - рух бійка вгору за інерцією після відкриття клапана. Четверта - робочий хід бійка вниз і удар по ковадлу 9 [1].
Гідравлічний пристрій (рис. 2), виконан за схемою гідроударника із зворотним активним ходом бойка. Складається з корпусу 2, у верхній частині поєднаного з перехідником 1 на колону бурильних труб. У корпусі встановлений клапан 3 з перепускними (байпасним) каналами 5, підпружинений допомогою пружини 4, і бойок 10 з бічними каналами 9 і 12, підпружинений допомогою пружини 11.
У клапані 3 та бойку 10 є осьовий канал 6 для проходу рідини. У хвостовику бойка встановлена ??втулка із зворотним клапаном 13. Фіксується зворотний клапан зрізним штифтом 15. Зворотний клапан 13 скидається з поверхні з потоком бурового розчину.
У нижній частині корпус 2 приєднується до перехідника 18 на колонкову трубу. Перехідник 18 має вивідні канали 17 для виходу робочої (промивної) рідини в затрубний простір.
Пристрій працює наступним чином:
Принцип дії
При постійному включенні пристрою в колону бурильних труб кулі 8 і 13 відсутні. Втулка 14 перекриває бічні отвори в бійку. При виникненні прихвата з потоком промивної рідини скидають куля 13, яка встановлюється у втулці 14 і перекривають прохід для промивної рідини. Бойок 10 стискаючи пружину 11 починає рухатися вниз, при цьому втулка 14 зворотного клапана зрізає штифт 15 і сідає на упор 16 хвостовика бійка 10. Бічні канали 12 бійка відкриваються, тиск у системі падає і бойок 10 за рахунок пружини 11 повертається в початкове положення.
З поверхні скидають кулька 8, який перекриває осьовий канал 6 бойка 10. Над клапаном 3 зростає тиск і клапан 3 разом бойком 10 починає рухатися вниз, стискаючи пружини 4 та 11. При попаданні перепускних каналів 5 клапана в порожнину низького тиску. Тиск над клапаном падає і за допомогою пружини 4 клапан 3 повертається у вихідне положення. Бойок 10 по інерції продовжує свій рух вниз до повної зупинки. Після чого пружиною 11 бойок повертається вгору і в кінці робочого ходу завдає удар по ковадлу 7. Над клапаном 3 зростає тиск і цикл повторюється.
Переваги розробленого механізму
Перевага цього пристрою, є те що, пристрій включається до складу бурового снаряда, а також використовується пусковий клапан замість зворотного. Це дозволяє економити час для пуску, тому що не потрібно розгвинчувати 2 рази колону бурильних труб (для скидання кульки в зворотній клапан і для спуску пробки, що перекриває центральний канал ударника). Застосування кульки замість пробки з пристроєм для скидання кульки не розгвинчуючи колону труб дозволяє відразу відреагувати на прихват і запустити вібратор.
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.
У даний момент магістерська робота знаходиться на стадії розробки. Після грудня 2011 повний текст роботи можна отримати у автора або наукового керівника.