Рисунок 3 – Сигнализатор в
составе бурового снаряда
Устройство имеет следующий недостаток. Он
сигнализирует о поглощении жидкости только при падении ее уровня в скважине на
довольно значительную величину. Так же он требует постоянной настройки,
точность которой тяжело гарантировать, так как она зависит от гидравлических
сопротивлений в скважине, обусловленных различными факторами, редко
поддающимися точному учету либо изменяющимися при
бурении. Но при частичном поглощении жидкости, когда ее
уровень в скважине не падает, невозможно проконтролировать его начало с помощью
этого сигнализатора из-за отсутствия подачи сигнала в таком случае, что может
привести сначала к зашламованию скважины, а далее – к аварии.
По сравнению с предыдущим сигнализатором (рис. 1), у
данного устройства есть следующее преимущество: он позволяет контролировать
уровень жидкости в скважине при бурении, даже при низком динамическом уровне
(например, при бурении в зонах поглощения жидкости, обусловленных наличием
старых горных выработок ), когда движение жидкости в бурильных трубах и
скважине фактически осуществляется за счет перепада давления, обусловленного
разницей высот столбов жидкости в бурильных трубах и скважине.
Также известна конструкция сигнализатора
поглощения промывочной жидкости в скважине [5] (ей посвящена магистерская работа
Роль А.В.), принцип действия которого показан на рисунке 4.
Рисунок 4 – Принцип действия сигнализатора поглощения
промывочной жидкости в скважине
Преимуществом данного сигнализатора является то, что
он сигнализирует не только о падении уровня, но и о частичном поглощении
жидкости в скважине. Так же для разработки рекомендаций по его эксплуатации
достаточно рассчитать перепад давления на клапане, хотя эту задачу приходится
решать путём моделирования.
Он имеет недостаток, который заключается в том, что
при бурении скважины до возникновения поглощения промывочной жидкости в
бурильных трубах постоянно поддерживается повышенное давление через
дополнительные гидравлические сопротивления движению жидкости в сигнализирующем
элементе. Это приводит к увеличению затрат мощности на привод бурового насоса.
Проанализировав известные сигнализаторы, можно
отметить следующее:
- Сигнализаторы падения уровня промывочной жидкости не
позволяют выявить незначительное падение уровня промывочной
жидкости в скважине. Это
может привести к аварии за счет зашламования скважины. Трудно
обеспечивается
точность настройки этих сигнализаторов, поскольку она зависит от
гидравлических сопротивлений в
скважине, которые обусловлены многочисленными факторами, не всегда
поддающимися
точному учету либо изменяющимися при бурении. Кроме того, они при
срабатывании
снижают давление жидкости в системе, что не позволяет применять их при
бурении
в скважинах с низким динамическим уровнем.
- А
предложенная ранее схема
сигнализатора поглощения промывочной жидкости хотя и
надежная, но постоянно поддерживает повышенное давление через
дополнительные
гидравлические сопротивления движению жидкости в сигнализирующем
элементе. Это
приводит к увеличению затрат мощности на привод бурового насоса,
которую при
бурении на полях угольных шахт не всегда можно применять.Кроме того предложенная ранее методика расчета не позволяет точно
определить величину гидравлических сопротивлений на клапане из-за их
взаимного влияния друг на друга. Поэтому
необходимо разработать методику и провести численное моделирование работы
сигнализатора в скважине методом конечных элементов.
На
основании анализа предложенных материалов предлагается следующий
принцип действия сигнализатора, показанный на рис. 5. В сигнализаторе
есть датчик скоростного напора и сигнализирующий элемент. При этом
проходное
отверстие сигнализирующего элемента 2 обусловливается положением
датчика
скоростного напора.
Рисунок 5 – Схема принципа действия сигнализатора
циркуляции промывочной жидкости в скважине:
а) схема работы сигнализатора в нормальных
условиях, б) схема работы сигнализатора при поглощении;
1 – датчик скоростного
напора, 2 – сигнализирующий элемент.
При бурении в нормальных условиях (рис. 5, а) в
бурильные трубы подается промывочная жидкость с расходом Q. Жидкость проходит
через сигнализирующий элемент, в котором потери давления сравнительно невелики
и равны DР1. Далее
жидкость проходит на забой, попадает в затрубное пространство и протекает через
датчик скоростного напора. При этом на датчике скоростного напора возникает
перепад давления DР1с. Далее вся
промывочная жидкость выходит на поверхность.
При бурении в зоне поглощения промывочной жидкости
(рис. 5, б) за счет того, что не вся жидкость выходит на поверхность, перепад
давления на датчике скоростного напора уменьшается до DР2. При этом
датчик изменяет свое положение, отверстие в сигнализирующим элементе
уменьшается, и потери давления в нем увеличиваются до DР2с. Это повышение
давления фиксируется на манометре.
Таким образом, изменением перепада давления на
датчике скоростного напора можно руководить сигнализирующим элементом. На
основе предложенной схемы (рис. 6) разработана конструктивная схема
сигнализатора, показанная на рис. 6, по которой получен патент на полезную
модель № 50771 от 25.06.2010г [6]. Его работа в нормальных условиях показана на
рис. 7 а, а при поглощении промывочной жидкости 7 б.
Рисунок 6 – Сигнализатор
циркуляции промывочной жидкости в скважине
Рисунок 7 – Работа сигнализатора циркуляции промывочной жидкости в скважине:
а) в нормальных условиях; б) при поглощении жидкости.
Сигнализатор состоит из корпуса 1, в котором
установлен шток 2 с осевым каналом 3, уступом 4, расположенным на внешней
поверхности штока 2 ниже корпуса 1, и переходником 5.В осевом канале 3
установлена калиброванная втулка 6, в штоке 2 выполнены радиальные отверстия 7
и 8, расположенные, соответственно, выше и ниже калибровонной втулки 6. В
кольцевом зазоре между корпусом 1 и штоком 2 находится хвостовик 9 клапана 10,
который установлен на уступе 4. Над хвостовиком 9 расположена пружина 11,
которая прижимает клапан 10 к уступу 4. В хвостовике 9 выполнено два ряда
радиальных отверстий 12 и 13, расположенных, соответственно, выше радиальных
отверстий 7 и 8. Кольцевая проточка 14 выполнена на внутренней поверхности
корпуса 1. Радиальные каналы 15 соединены с кольцевым зазором между корпусом 1
и шток 2 напротив верхней части пружины 10. На наружной поверхности корпуса 1 и
переходника 5 установлены центраторы 16.
Сигнализатор работает следующим образом. Устройство
включается в состав бурового снаряда. Он соединяется с бурильными трубами и
спускается в скважину ниже уровня промывочной жидкости. В процессе бурения
промывочная жидкость протекает через сигнализатор по осевому каналу 3 штока 2,
калиброванную втулку 6 и кольцевую проточку 14, поскольку радиальные отверстия
12 и 13 в хвостовике 9 клапана 10 устанавливаются напротив радиальных отверстий
7 и 8 в штоке 2 за счет того, что под действием давления скоростного напора и
перепада давления на щели между клапаном 10 и стенкой скважины или обсадной
трубы клапан 10 находится в верхнем положении, контактируя с корпусом 1 и
сжимая пружину 11. При этом жидкость из кольцевого зазора между корпусом 1 и
штоком 2 вытекает в скважину по радиальным каналам 15. Центраторы 16,
установленные на поверхности корпуса 1 и переходника 5, защищают клапан 10 от
контакта со стенкой скважины или обсадной трубы, что необходимо для обеспечения
работоспособности сигнализатора.
С началом поглощения промывочной жидкости скорость
восходящего потока в кольцевом пространстве скважины на уровне установки
сигнализатора уменьшается. Тогда давление скоростного напора и перепад давления
на щели между клапаном 10 и стенкой скважины или обсадной трубы также падает и
клапан 10 под действием пружины 11 перемещается в нижнее положение и опирается
на уступ 4. При этом хвостовик 9 перекрывает радиальные отверстия 7 и 8 в штоке
2. В этот момент промывочная жидкость начинает протекать только через калиброванную
втулку 6. При этом за счет резкого уменьшения площади сечения каналов, по
которым жидкость движется в устройстве, сопротивление течения жидкости в
сигнализаторе увеличивается. В это время по показаниям манометра бурового
насоса можно сделать вывод о начале поглощения жидкости в скважине.
Анимация принципа действия сигнализатора циркуляции промывочной жидкости в скважине
Аналогично сигнализатор сработает и при падении уровня
жидкости в скважине ниже места его установки, поскольку при этом на клапан 10 совсем
перестает действовать усилие со стороны промывочной жидкости в кольцевом
пространстве скважины. Применение этого устройства позволяет
контролировать поглощение промывочной жидкости в скважине независимо от наличия
падения уровня жидкости за счет изменения сопротивления движения жидкости при
снижении ее скорости в кольцевом пространстве скважины на уровне установки
сигнализатора.
Для определения конструктивных параметров сигнализатора необходимо рассчитать
усилие, действующее со стороны жидкости на клапан – датчик скоростного напора.
Поскольку теоретическое решение этой задачи затруднено, то было проведено
численное моделирование методом конечных элементов.
При
моделировании [7] определялись усилия, действующие на тарелку клапана
сигнализатора, что позволяло подобрать возвратную пружину клапана и определить
его чувствительность к изменению расхода жидкости.
Расчеты проводились для двух конструкций сигнализатора
при различных режимах промывки скважины и с учетом вращения и без него. При
этом проводилось моделирование для различных размеров клапана – датчика
скоростного напора. Перепад давления на клапане рассчитывается путем численного
моделирования методом конечных элементов.
В первом случае моделирование проводилось для
расхода жидкости 20-120 л/мин
для скважины диаметром 93 мм,
перекрытой обсадными трубами диаметром 89 мм с внутренним диаметром 79 мм. Модель, по которой
велись расчеты, показана на рис. 8.
Рис. 8 – Модель для
анализа перепада давления на клапане
Некоторые результаты
моделирования показаны на рисунке 9.
Рисунок 9 – а) потери давления; б) скорости течения
жидкости.
В результате моделирования
были определены значения силы, действующей на клапан. Например, для одного из
клапанов зависимость силы, действующей на клапан от расхода жидкости может быть
аппроксимирована следующим выражением: y = 0.010x2 +0.033 x-0.6. График
зависимости показан на рис. 10.
Рисунок 10 – Зависимость силы,
действующей на клапан, от подачи промывочной жидкости
Таким образом, для любого значения подачи жидкости от
20 до 120 л/мин, используя эту зависимость, можно определить необходимое
усилие, которое должна обеспечивать пружина сигнализатора, что необходимо при
проектировании устройства и разработке технологии ее применения.
Для этой же скважины был рассчитан перепад давления
на клапане с учетом вращения бурильной колонны. Моделирование проводилось для
станка ЗИФ1200-МР с подачами промывочной жидкости 20, 60, 120 л/мин, с
частотами вращения 231, 288, 336, 414 об/мин. В результате моделирования была
определена сила, которая давит на клапан. На рис. 11 показаны расходы давления,
скорость течения жидкости, скорость течения жидкости и ее
движение в скважине и линии тока.
Рисунок 11 – Результаты моделирования: а) потери давления; б)
скорость течения жидкости; в) напраление движения жидкости; г) линии
тока.
Исходя из полученных значений, можно сделать вывод,
что вращение бурильной колонны не влияет на потери давления на клапане
сигнализатора и на усилие, действующее на клапан - датчик скоростного напора, в
исследуемых пределах.
Так же моделирование проводилось для этого же
сигнализатора с повышенными подачами промывочной жидкости 125, 175, 230 л/мин,
с частотами вращения 231, 288, 336, 414 об/мин. и для сигнализатора, который
применяется в скважине диаметром 151
мм., перекрытой обсадной колонной диаметром 146 мм с внутренним
диаметром 136 мм
без учета влияния вращения бурильной колонны, поскольку ранее было установлено,
что вращение не влияет на усилия, действующие на клапан.
С учетом приведенных расчетов была создана реальная
конструкция сигнализатора циркуляции жидкости в скважине, 3-D модель которого
выполнена в пакете САПР «Компас-3D» и приведена на рис. 12. По этой модели
разработана конструкторская документация на сигнализатор.
Рисунок 12 – 3-D модель
сигнализатора циркуляции промывочной жидкости в скважине.
