Кисельова Ірина Олександрівна

      Спорудження свердловини - трудомісткий інженерно-технологічний процес, який нерідко ускладнюється різного роду аваріями, що знижують продуктивність праці та підвищують собівартість бурових робіт. На усунення аварії на рік витрачається від 5 до 10% робочого часу. Часто причинами списання свердловин, що не виконали геологічного завдання, також є аварії та ускладнення.
      Один з найпоширеніших, різноманітних, складних і трудомістких типів аварії в розвідувальному бурінні - прихвати. На їх частку припадає до 60-80% аварійного часу. Крім того, обриви, розгортання і падіння інструменту часто супроводжуються прихватами чи передують ім. Зі зростанням глибин розвідувального буріння та зменшенням діаметрів свердловин складність і тяжкість прихватів, а також процесу їх ліквідації безперервно зростають. Причому якщо на усунення одного обриву витрати щорічно скорочуються, то на ліквідацію одного прихвата - збільшуються. Значно підвищуються витрати на допоміжні операції, пов'язані з попередженням та ліквідацією прихватів, а також ускладнень, які їм передують [3].
      Розробка і впровадження ефективних методів і технічних засобів попередження та ліквідації прихватів є однією з актуальних проблем буріння технічних свердловин.

     Одним з ефективних методів ліквідації прихватів є застосування ударного пристрою - гідравлічного вібратора.
      В даний час розроблені численні конструкції гідравлічних вібраторів, що застосовуються для ліквідації прихватів. Однією з найбільш перспективних конструкцій є конструкція гідровібратора ГВ – 89 і ВГ – 89 .

     Гідровібратор ГВ – 89 складається з верхнього перехідника 1, розподільної головки 3, на яку нагвинчується циліндр 5, впускного клапана 2, що має ходову або ковзаючу посадку з випускним клапаном 4, бойка 11, у верхньому сверленні якого розміщені клапана пружина 9 і хвостовик випускного клапана, які розкріплюється за допомогою видельчатого вкладиша 6 і накидної гайки 7, поршня 8, корпусу 12, верхньої 10 і нижній 14 ковадл, ущільнення 13. Він спускається в свердловину на бурильній колоні, яка нагвинчена на верхній перехідник 1, і за допомогою від'єднувального перехідника або ловильного інструменту з'єднується з прихопленим снарядом. У початковій позиції впускний клапан 2 закритий, а випускний клапан 4 відкритий. Робоча рідина, що подається по колоні бурильних труб до верхнього перехідника 1, надходить через канал В у нижню порожнину циліндра 5 і починає піднімати поршень 8 і бойок 11. Рідина, що знаходиться над поршнем, витісняється через канали С і D в свердловину. По мірі підйому поршня бойка пружина 9 упирається в хвостовик клапана 4 і починає стискатися. У верхньому положенні вкладиш 6 і гайка 7 стикаються з торцем клапана 4. Сукупна дія поштовху і сили стиснутої пружини виробляє перекидання клапанів: впускний клапан 2 відкриється, а випускний 4 – закриється. Рідина надійде і у верхню порожнину циліндра 5. Оскільки площа поршня зверху більше, то він разом з бойком буде опускатися. У нижньому положенні вкладиш 6 завдає удар по буртику випускного клапана 4. За рахунок швидкісного напору і удару клапана група 2 – 4 переміщається вниз. Потім цикл роботи повторюється.
      При ході вгору бойок б'є по верхньому ковадлу 10, а при ході вниз - по нижньому ковадлу 14 і збуджує коливання в прихопленому снаряді.
Повний хід бойка S і вільний S1 вибираються таким чином, щоб бойок переміщувався разом з клапаним блоком не менше половини ходу клапанів Sкл, тобто S1> 0.5Sкл. Це гарантує стійкий режим роботи механізму, його високу надійність. Ковзна посадка впускного клапана 2 щодо випускного 4 запобігає обриви хвостовиків і штовхачів. Наприклад, при передчасної посадці впускного клапана 2 випускний 4 буде сам переміщатися вниз.
      Відповідним регулюванням ходу клапанів неважко домогтися того, щоб бойок наносив удари лише по верхньому або тільки по нижньому ковадлу. Можна також здійснювати зупинку бойка в обох положеннях за рахунок гідроторможення. Отже, механізм може працювати в швидкоударном, вібраційному і комбінованому режимах.
      Гідровібратор спускається в свердловину на бурильних трубах діаметром 50 або 63,5 мм і приводиться в дію від стандартних бурових насосів НБ-32 або НБ – 320/63 (100).
      По простоті конструкції та виготовлення гідровібратор не поступається відомим гідроударникам диференціального і одинарної дії.
      Недоліком даного пристрою є низька ефективність роботи через малу енергії удару і низький ККД [2].

      Всі рухомі деталі вібратора гідравлічного розміщені в корпусі, який включає: нижній корпус, що має різьбові з'єднання з нижнім ковадлом 14 і верхнім ковадлом 11, і корпус верхній, що має різьбові з'єднання з верхнім ковадлом 11 і верхнім перехідником 1.
У корпусі вільно розміщений бойок 12, що представляє собою масивний ступінчастий вал, на кінцях якого закріплені поршні. Нижній поршень складається з ущільнювальних манжет з розподільними кільцями. Він є меншим ступенем поршня вібратора гідравлічного і встановлюється в циліндрі нижнього ковадла 4. Верхній поршень 8 нагвинчується на верхній кінець бойка і являє собою гайку, в кільцевих проточках якої встановлені манжети. У проточці верхньої частини бойка з можливістю осьового переміщення розміщений випускний клапан 6, що спирається на пружину клапанну 10. Клапан 6 взаємодіє з бойком 12 за допомогою пальця. Палець зроблений зі сталі марки 40 ХН і має зовнішній діаметр 18 мм і довжину 120 мм. Верхній поршень розташовується в циліндрі 9, який з'єднаний з клапанною коробкою 5. Верхньою частиною клапана коробка 5 за допомогою розподільної муфти з'єднана з верхнім перехідником 1. У камеру клапанної коробки вгвинчена пробка. Впускний клапан 3 взаємодіє з випускним клапаном 6 через штовхач 4. У нижньому перехіднику встановлені пружина, зворотній клапан і сідло.
      Робота пристрою зводиться до наступного: у вихідному положенні бойок 12 під дією власної ваги знаходиться в крайньому нижньому положенні, при цьому впускний клапан 3 закритий, а випускний клапан 6 відкритий. Робоча рідина від бурового насоса по бурильних трубах надходить в вібратор і проходить по внутрішньому каналу перехідника 1 і по зазору між корпусом 2 і циліндром 9 надходить під поршень 12, викликаючи підйом бойка. За рахунок тиску рідини в камері клапанної коробки 5 впускний клапан 3 виявляється притиснутим до сідла.
      Рідина з порожнини над верхнім поршнем витісняється по каналах в клапанії коробці 5, розподільної муфти і перехідника 1 в свердловину. При русі бойка 12 вгору стискається пружина 10, оскільки клапан 6, контактує з штовхачем 4 і впускним клапаном 3, залишається нерухомим.
Пройшовши відстань 25 мм, гайка поршня завдає удару по випускного клапану 6, який після цього закриється (перекриває осьові канали в клапаній коробці 5), а впускний клапан 3 відкриється, оскільки обидва клапани пов'язані з штовхачем 4.
      У момент перестановки клапанів бойок 12 проходить додаткову відстань 3 мм і завдає удар по верхньому ковадлу 11. Робоча рідина почне надходити через центральний канал клапаної коробки 5 і бічні отвори в клапані 6 у верхнюю порожнину циліндра над поршнем 12. За рахунок тиску рідини у верхній частині циліндра механізму бойок 12 кинеться вниз, тому що робоча площа поршня з боку верхньої порожнини циліндра більше, ніж з боку нижньої порожнини. Клапан 3 і 6 при цьому будуть зберігати своє верхнє положення (впускний клапан 3 відкритий, а випускний клапан 6 закритий), за рахунок сили, що притискає, яка зумовлена тиском рідини в над поршневій камері циліндра на клапан 6.
      Пройшовши відстань 25 мм, палець, що переміщається спільно з поршнем і бойком, завдає удару по нижній поверхні проточки клапана 6 і забезпечує його зміщення вниз. Відбувається перестановка клапанів, відповідна вихідного положення. Бойок 12 на шляху, що дорівнює 3 мм, продовжує рух униз по інерції і в кінцевій точці завдає удару по нижньому ковадлу 14. Далі цикл роботи повторюється [1].
      Основними недоліками даного пристрою є низька ефективність і ККД, обумовлена тим, що поршень з бойком, набирають максимальну швидкість на ділянці робочого ходу, втрачають частину її при перестановці клапаної групи за рахунок виникнення гідроторможіння. Таким чином, швидкість зіткнення бойка з ковадлом буде менше максимальною, яка досягається поршнем у процесі руху, що знижує ККД пристрою та ефективність його роботи.
      З метою усунення зазначених недоліків пропонується наступна конструкція гідравлічного вібромолота.

      До складу гідравлічного вібромолота входять корпус 1 з розподільним перехідником 2, верхнім 3 і нижнім 4 ковадлами. До розподільного перехіднику 2 кріпиться клапана коробка 5 з циліндром 6, в якому розміщений поршень 7, який забезпечений хвостовиком 8, що встановлений у камері 9, яка виконана у тілі бойка 10. Клапана група представлена впускним 11 і випускним 12 клапанами, втулкою 13 і пружиною 14.
      Хвостовик 8 поршня 7 забезпечений фіксаторами 15 для взаємодії в крайніх положеннях з проточками 16 і 17, які виконані у камері 9. При цьому відстань від верхнього торця хвостовика 8 до верхнього внутрішнього торця бойка 10 дорівнює величині вільного ходу поршня 7.
      Нижнє ковадло 4 забезпечена каналами 18, які зв'язують простір під бойком 10 з навколишнім середовищем.

      Вібромолот нижнім ковадлом з'єднується з прихопленим інструментом. У початковому стані поршень 7 і бойок 10 знаходяться в крайньому нижньому положенні, під час цього фіксатори 15 розміщуються в проточці 17 і фіксують поршень 7 щодо бойка 10. Впускний клапан 11 закритий, а випускний 12 відкритий.
      Під час подачі робочої рідини в гідравлічний вібромолот вона надходить по каналу в розподільному перехіднику 2, кільцевому зазору між корпусом 1 і циліндром 6 під поршень 7, і переміщує останній вгору. Під час цього рідина з надпоршневої порожнини циліндра 6 витісняється в свердловину через канали в клапаній коробці 5 і розподільчому перехіднику 2. Клапана група залишається у початковому положенні за рахунок тиску рідини на впускний клапан 11. Тому під час підйома поршня 7 відбувається стиснення клапанної пружини 14. Після проходження робочого ходу, коли поршень 7 набере максимальну швидкість, він завдає удару по впускному клапану 12. Одночасно бойок 10, що рухався разом з поршнем 7, завдає удару по верхньому ковадлу 3. Поршень 7, продовжує рухатися вгору, проходить разом з випускним клапаном відстань вільного ходу. Відбувається відкривання впускного клапана 11 і робоча рідина починає надходити і в надпоршневу порожнину циліндра 6 і, гальмує поршень 7. Одночасно, оскільки бойок 10 зупинився від удару по ковадлу 3, а поршень 7 продовжував рух, то фіксатори 15 виходять з проточки 17 і хвостовик 8 займає крайнє верхнє положення в камері 9. Фіксатори 15 входять до проточки 16 і фіксують поршень 7 щодо бойка 10.
      Подальше переміщення клапанної групи до закриття випускного клапана 12 здійснюється за рахунок енергії зіткнення з поршнем 7 і сили стиснутої пружини 14. Випускний клапан 12 закривається, а впускний 11 повністю відкривається. Оскільки робоча площа поршня 7 зверху більше, ніж знизу, то рідина, що надходить в надпоршневую порожнину циліндра 6, переміщує перший вниз.
      Після проходження частини робочого ходу поршень 7 контактує своїм верхнім внутрішнім торцем з втулкою 13, що служить для зрівнювання величин вільного ходу вгору і вниз і здійснює з нею спільне переміщення до кінця робочого ходу (де швидкість руху максимальна) після чого завдає удар по хвостовику випускного клапана12. Одночасно бойок 10 завдає удару по нижньому ковадлу 4. Поршень 7 продовжує рухатися вниз, зриває випускний клапан 12 з каналів клапанної коробки 5, і, вповільнюючись, переміщує клапанну групу в вихідне положення. У цей же час хвостовик 8 займає крайнє нижнє положення в камері, під час цього фіксатори 15 переміщуються в проточку 17 і фіксують поршень 7 щодо бойка 10. Потім цикл роботи повторюється.
      Канали 18 в процесі роботи перешкоджають виникненню під бойком 10 гідравлічної подушки.
      Буровий інструмент, звільняється від прихвата дією ударних навантажень, піднімається з свердловини після закінчення операції з ліквідації аварії разом з вібромолотом.