ДонНТУ   Портал магістрів

Пенькова Ольга Євгенівна

Горно–геологічний факультет

Кафедра технології та техніки геологорозвідувальних робіт

Спеціальність Технологія і техніка розвідки родовищ корисних копалин

Обгрунтування параметрів штангового насоса для буріння в зонах ускладнень із привибійною промивкою

Науковий керівник: к.т.н., проф. Пилипець Віктор Іванович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження, методи дослідження
• 3. Аналітичний огляд способів і технічних засобів для буріння в умовах поглинання промивальної рідини
• 4. Обґрунтування напрямку роботи й вибір конструкції штангового насоса для буріння з місцевим промиванням
• 5. Технологія буріння вдосконаленим штанговим насосом
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

В даній роботі досліджено способи буріння в умовах поглинання промивної рідини та конструкції заглибних насосів. Проведений аналіз показує, що штангові насоса є найбільш простими і надійними. Проте їх використання ускладнене в силу їх недосконалості.

В роботі запропонована конструкція штангового насоса для місцевого промивання, який в умовах Донбасу дозволяє бурити в зонах катастрофічного поглинання або в зонах впливу гірських виробок у безударному режимі, з можливістю підбору кількості рідини, яка подається на вибій і з осьовим навантаженням на породоруйнівний інструмент, яке плавно регулюється в широких межах.

1. Актуальність теми

При бурінні на вугілля в Донбасі часто доводиться бурити в зонах впливу гірських виробок. Таке буріння супроводжується катастрофічними поглинаннями. Подавати воду з поверхні не вигідно, а іноді й неможливо через обвали стінок свердловини.

У таких умовах краще бурити на залишковому стовпі рідини безнасосним способом або за допомогою різних заглибних насосів, що створюють у свердловині місцеву циркуляцію промивальної рідини.

У теперешній час у нас у країні і за кордоном використовується багато різноманітних технічних засобів і способів для буріння з місцевим промиванням, яке створюється заглибними насосами в умовах поглинання промивальної рідини, розроблених для різних умов експлуатації, що відрізняються конструктивно і за принципом дії. Їх аналіз показує, що одним з найбільш простих насосів є заглибні штангові насоси.

Відомі штангові насоси відрізняються один від одного конструкцією вузлів для передачі обертання від бурильних труб на колонковий набір, кількістю клапанів. Вузлами для пом'якшення ударів поршнів у крайніх положеннях.

Штангові насоси, що застосовуються у промисловості мають слідуючі загальні недоліки:

– осьове навантаження на породоруйнівний інструмент створюється вагою ОБТ, які встановлюють на штоці насоса;

– при ходінні бурового снаряда породоруйнівний інструмент відривається від вибою, що приводить до ушкодження керна й до його самозаклинки;

– відбуваються удари поршня об нижню та верхню кришки циліндра насоса. Такі удари приводять до ушкодження насоса й до випадання керна з колонкової труби.

Крім того для збільшення подачі заглибного насоса доводиться використовувати насоси подвійної дії зі складною системою клапанів.

2. Мета і задачі дослідження, методи дослідження

Метою цієї роботи є удосконалення конструкції штангового насоса для місцевого промивання, який в умовах Донбасу дозволяє бурити в зонах катастрофічного поглинання або в зонах впливу гірських виробок у безударному режимі, з можливістю підбору кількості рідини, яка подається на вибій і з осьовим навантаженням на породоруйнівний інструмент, яке плавно регулюється в широких межах.

Для досягнення поставленої мети визначаються наступні завдання:

1. Аналіз існуючих конструкцій штангових насосів для буріння з місцевим промиванням вибою.
2. Удосконалення методики розрахунку штангових насосів для буріння з місцевим промиванням і визначення його робочих параметрів.
3. Удосконалення конструкції штангового насоса для буріння з місцевим промиванням.
4. Розробка технології використання вдосконаленої конструкції штангового насоса для буріння з місцевим промиванням.

Методи досліджень. Поставлені завдання вирішуються шляхом узагальнення і аналізу патентних і літературних джерел, проведення теоретичних досліджень, виконання дослідно – конструкторських робіт.

Наукова новизна. Уточнена методика розрахунку штангового насоса для буріння з місцевим промиванням, що дозволила вивчити закономірності роботи вдосконаленого пристрою з можливістю вибору ефективного поєднання конструктивних розмірів механізму і параметрів гідросистеми: гідронасос – свердловина.

Наукове і практичне значення отриманих результатів.

Наукове значення роботи полягає в можливості використання отриманої теоретичної моделі та застосування здобутих знань у буровій галузі.

Практичне значення виражається в створенні ефективної конструкції штангового насоса, який забезпечує в умовах Донбасу ефективне буріння з місцевим промиванням в зонах катастрофічного поглинання або в зонах впливу гірських виробок за рахунок забезпечення буріння в безударному режимі, з можливістю підбору кількості рідини, яка подається на вибій і з осьовим навантаженням на породоруйнівний інструмент, яке плавно регулюється в широких межах.

3. Аналітичний огляд способів і технічних засобів для буріння в умовах поглинання промивальної рідини

Часто при виникненні поглинання промивальної рідини переходять на безнасосне буріння із прямою або зворотною місцевою (привибійною) циркуляцією промивальної рідини.

Сутність безнасосного буріння (рис.1) полягає в тому, що будучи спущеним на бурильних трубах у свердловину спеціальний снаряд обертається буровим станком та періодично під час буріння здійснює ходіння.

Під час обертового руху й переміщення снаряда вниз і нагору здійснюється циркуляція рідини в зазорах між стінками свердловини, снарядом і керном.

При підійманні снаряда над вибоєм відбувається засмоктування рідини у внутрішню порожнину колонкової труби, разом з якої піднімається з вибою вибурений шлам. При опусканні снаряда на вибій рідина, що несе шлам, попадає у закриту шламову трубу, в якій внаслідок різкого зниження швидкості руху рідини шлам осідає, а потім відкриває спеціальний клапан у снаряді і через отвори в перехіднику виливається в свердловину.

Таким чином, у процесі буріння відбувається періодична зворотна циркуляція рідини в призабойній зоні, що забезпечує винос шламу з вибою свердловини в трубу, яка уловлює шлам, у більшості випадків закритого типу, але може встановлюватися і відкрита шламова труба [2].

Більш досконалим є спосіб буріння зі створенням привибійного промивання свердловини різними насосами (штанговими, гвинтовими, пневматичними та ін.).

Найбільше поширення отримали штангові насоси через їхню просту і надійну конструкцію, що не вимагає подачі силового агента з поверхні.

Відомі штангові насоси, які використовуються при бурінні з місцевим промиванням. У штанговому насосі конструкції О.С. Покальчука (рис. 2) установлена пружина для зм'якшення ударів поршня.

Насос містить у собі головку–корпус 1, сальник 2 і шток 3. Сальник 2 ущільнює шток. Нижній кінець штока оснащений поршнем 4 і підпружиненим клапаном 5, який виконує функції всмоктуючого клапана.

Рідина зі свердловини надходить через порожній шток, звідки через всмоктувальний клапан в циліндр 6. На нижньому кінці циліндра поміщений нагнітальний клапан 7 насоса. Пружина 8 і підтримуючий її стрижень 9 призначені для зм'якшення ударів поршня об нижню частину циліндра [1].

Переваги: можливість створення прямої і зворотної циркуляції рідини, простий пристрій, підвищений відсоток виходу керна.

Недоліки: невелика подача, підвищений знос бурового встаткування.

Колонковий снаряд КСБ–5 конструкції А.А. Гребенюка (рис.3) являє собою подвійний колонковий снаряд, верхня частина якого є циліндром насоса, де й розташовується поршень зі шкіряною манжетою.

Крутний момент у снаряді передається коронці 1 виступами порожнього штока 16, що ковзають у пазах перехідника 15, через циліндр 14, перехідник 9 і колонкову трубу 3. Керноприймальна труба 4 у процесі буріння не обертається, це забезпечується кульовою опорою 6 і підп'ятником 7.

Необхідний рух рідини для виносу часток розбуреної породи з–під різців коронки 1 забезпечується періодичним ходінням поршня насоса разом з бурильними трубами за допомогою лебідки бурового верстата .

Частки розбуреної породи транспортуються промивальною рідиною по внутрішньому кільцевому зазору між керноприймальною трубою 4 і колонковою трубою 3, і далі по каналу 8, через клапан 12 у циліндр 14. Тут шлам випадає з рідини й осідає в шламозбірнику 10, а рідина переміщується вище по каналу штока 16, через клапан 19 і зливається в порожнину обважнювача 20 через канали 18, а потім через подовжній отвір 17 у свердловину.

Верхнє розташування каналів 12 й 18 виключає можливість скупчення шламу над ними, тому що шлам після підйому клапана відразу ж видаляється з потоку рідини через зливні канали 13 й 18.

У міру надходження керна в керноприймач рідина із простору над керном відсмоктується насосом бурового снаряда через отвір 5. Відсмоктування рідини значною мірою полегшує просування керна в керноприймач.

При підійманні колонкового снаряда на поверхню керн утримується в керноприймачі пружинами 2 [2].

Переваги: нерухомість керноприймача забезпечує захист керна, виключається можливість засмічення керна порожніми породами, можливість створення прямої та зворотної циркуляції рідини, простота конструкції.

Недоліки: необхідність утримувати циліндри притиснутими до вибою за допомогою ОБТ.

Глибинний штанговий насос НВГ–1–43–АВ (рис.4) призначений для експлуатації в обводнених свердловинах з агресивними середовищами.

Глибинний насос складається із циліндра 1 і плунжера, що виконані із двох частин 2 й 5, з'єднаних між собою ніпелем 3 із трубкою 6.

Ніпель має поздовжні канавки, що з'єднують внутрішню порожнину нижньої половини плунжера з розподільчою камерою 4.

Принцип роботи насоса полягає в наступному. При зворотно – поступальному русі плунжера, рідина під дією сили Архімеда накопичується в кільцевому перетині між трубкою й внутрішньою стінкою плунжера і, проходячи через поздовжні канавки, заповнює розподільчу камеру. Надходячи в зазор між плунжером і циліндром, рідина запобігає контакт тертьових поверхонь із агресивною водою [1].

Загальним недоліком штангових насосів, використовуваних для відкачки рідини є складність конструкції й відсутність вузла для передачі крутного моменту на колонковий набір.

Таким чином, різноманітні конструкції штангових насосів вимагають доробки з урахуванням умов геологорозвідки.

4. Обґрунтування напрямку роботи й вибір конструкції штангового насоса для буріння з місцевим промиванням

Із проведеного аналізу видно, що у відомих конструкціях насосів, при ходінні поршня циліндр насоса утримується від ходіння ОБТ, тому часто відривається від забою разом з породоруйнівним інструментом, що може привести до припинення промивки свердловини та ушкодження керну. Тому необхідно передбачити втримання циліндра насоса від переміщення при підйомі.

Конструкція більшості насосів не дозволяє оперативно регулювати осьове навантаження в залежності від зміни міцності розбурюваної породи.

Крім того, практично всі насоси не мають надійної конструкції пристрою для зм'якшення ударів поршня у крайніх положеннях при ходінні, що приводить до швидкого зносу деталей.

З метою усунення недоліків, властивим розглянутим насосам у вдосконаленій конструкції насоса необхідно передбачити вузол для створення та оперативного регулювання осьового навантаження при ходінні бурового снаряда, щоб при бурінні породоруйнівний інструмент не відривався від вибою в процесі ходіння колони бурильних труб і керн не руйнувався.

В конструкції насоса доцільно установити декілька пар поршень–циліндр при незмінній кількості клапанів, щоб забезпечити необхідну кількість промивної рідини.

Насос повинен бути простим, що дозволить виготовити його в мехмастернях ГРЕ.

При зустрічі поглинаючих інтервалів операція включення насоса до складу бурового снаряда повинна бути виконана в максимально короткий термін. Буріння з удосконаленим насосом не повинне значно ускладнювати загально прийняту технологію.

На рисунку 5 показана схема вдосконаленого штангового насоса.

Насос складається з поршня для створення осьового навантаження 2, одного або декількох поршнів 3 для регулювання подачі насоса, штока 4, циліндрів 5, шлицьового вузла для передачі обертання 7, клапанів 8,9.

На рисунку 6 показана схема застосування насоса в свердловині.

Після установки насоса в свердловині по колоні бурильних труб наземним силовим насосом подається рідина. Тиск рідини створює зусилля на поршень 2, притискаючи колонковий снаряд до вибою. Осьове зусилля можна регулювати з поверхні кількістю та тиском силової рідини. При цьому силова рідина не виходить із бурильних труб у свердловину.

Завдяки тому, що поршень 2, притискає колонковий снаряд до вибою, колонковий набір не відривається від вибою, що сприяє схоронності керна.

Крутний момент від колони бурильних труб на колонковий набір передається через шлицьовий вузол 7.

Даний пристрій шлицьового вузла дозволяє здійснювати ходіння бурового снаряда без відриву колонкового набору від вибою.

Циліндри 5 насоса рухливі. При бурінні зворотно – поступальний рух циліндрів 5 щодо поршнів 3 викликає зворотну циркуляцію промивальної рідини. При ходінні колони бурильних труб циліндр 5 переміщається нагору і у верхній порожнині циліндра відбудеться розрядження, що викличе всмоктування рідини з свердловини через колонковий снаряд, прохідний канал у перевіднику 10 та кульковий клапан 9.

При русі циліндра 5 донизу рідина витискається в затрубний простір через кульковий клапан 8.

Конструкція насоса дозволяє використовувати будь–яку кількість поршнів і циліндрів при незмінній кількості клапанів. Це дає можливість створювати різну подачу насоса при незмінному зовнішньому діаметрі, а значить буріння з місцевим зворотним промиванням у свердловинах різного діаметра, буде відбуватися з достатньою швидкістю висхідного потоку.

В удосконаленому насосі передбачений пристрій для зм'якшення ударів поршня в крайніх положеннях.

Для цього у верхній частині нерухливого поршня виконаний конус 11, а в рухливому перевіднику – конічний отвір 12. Потрапляючи в конічний отвір конус, а значить і циліндр, зустрічаючи додатковий опір сповільнюють швидкість руху й поршень зупиняється в крайньому нижньому положенні без удару.

Передбачений в удосконаленій конструкції пристрій для зм'якшення ударів поршня в крайніх положеннях дозволить підвищити моторесурс вузлів насоса й дозволить відбирати керн із непорушеної ударами структурою.

Таким чином, використання вдосконаленого штангового насоса в умовах Донбасу дасть можливість бурити в зонах катастрофічного поглинання або в зонах впливу гірських виробітків.

На рисунку 7 показана анімація принципа роботи вдосконаленого штангового насоса в свердловині.

На рисунках 8–12 показані основні вузли вдосконаленого штангового насоса.

5. Технологія буріння вдосконаленим штанговим насосом

Перед використанням штангового насоса перевіряється наявність необхідної технічної документації: паспорта, технічних умов експлуатації, креслень деталей насоса.

Перед спуском у свердловину необхідно провести розконсервацію насоса й зовнішній огляд. Перевірити стан гумових елементів поршнів та сальників, вузла передачі крутного моменту, герметичність кулькових клапанів і легкість переміщення деталей вузла передачі крутного моменту. Корпусні деталі перевіряються на відсутність на них яких–небудь ушкоджень, забоїн і тріщин.

Перед початком роботи насоса необхідно остаточно перевірити плавність і легкість регулювання складових частин агрегату.

На приймальних містках збирається колонковий набір з коронкою відповідно до фізико–механічних властивостей порід, що перебурюються та протиаварійним перевідником і штанговий насос.

До колонкового набору приєднується напівавтоматичний елеватор, що входить у комплект бурової установки, колонковий набір опускається в свердловину й установлюється на підкладну вилку.

Потім у такий же спосіб піднімається штанговий насос і з'єднується з колонковим набором.

Штанговий насос із колонковим набором на бурильних трубах опускається в свердловину й установлюється нижче динамічного рівня на 3–5м. Спуск виконується за звичайною методикою спуско–підйомних операцій (СПО).

Після спуску насоса в свердловину наземним буровим насосом подається в свердловину вода під тиском, що відповідає необхідному в ГТП осьовому навантаженні на ПРІ. Дається обертання й виконується буріння із заданою в ГТП довжиною рейса.

Вода, яка використовується для створення осьового навантаження, залишається в насосі й не виходить у свердловину.

При бурінні проводиться ходіння колони бурильних труб на висоту 1м із частотою 8–10 ход/хв.

При експлуатації насоса, варто постійно контролювати правильність роботу окремих його вузлів, фіксуючи будь–які ненормальності, які усуваються при першій же зупинці насоса.

У період експлуатації після підйому насоса на поверхню систематично проводяться профілактичні огляди. Помічені несправності заносяться в змінний журнал, що є первинним документом, що характеризує технічний стан устаткування. На підставі цього журналу визначаються строки, характер огляду й обсяг ремонту, своєчасність яких забезпечує безперебійність роботи насоса.

Після вилучення зі свердловини, насос промивається водою, розбирається, всі рухливі деталі змазуються змащенням ВУС–2.

Висновки

У результаті проведеного аналізу існуючих способів буріння в умовах поглинання промивальної рідини з місцевим промиванням вибою встановлено, що найбільш простим способом буріння є буріння зі створенням промивання штанговими насосами.

З метою усунення недоліків, властивим штанговим насосам запропонована схема вдосконалення насоса для буріння в умовах поглинання промивальної рідини.

У насосі у верхній частині циліндра встановлений додатковий циліндр із поршнем, що дозволяє регулювати осьове навантаження в широких межах. Також у верхній частині циліндра встановлений конус, а в перевіднику – конусна проточка, що дозволяє зм'якшувати удари поршня в крайніх положеннях.

Для регулювання подачі насоса, можна встановлювати необхідну кількість поршнів при використанні тільки двох клапанів – всмоктувального й нагнітального, що значно спрощує конструкцію насоса.

Таким чином, розроблена конструкція має значну перевагу перед відомими й це дозволяє використовувати насос в умовах Донбасу.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

1. Пилипец В.И. Насосы для подъема жидкости/ В.И. Пилипец. – Донецк: РИА, 2000. – 244 с.
2. Волков А.С., Волокитенков А.А. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости/ А.С. Волков, А.А. Волокитенков. – М.: Недра, 1970. – 184 с.
3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя/ В.И. Анурьев. – М.: Недра, 1978.
4. Неудачин. Г. И., Пилипец. В. И. Погружной пневматический насос / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976.
5. Есьман И.Г. Насосы / И.Г. Есьман. – М.: Недра, 1954.
6. Лисикян К.А., Докукин В.И., Документов И.И. Штанговые глубинные насосы / К.А. Лисикян, В.И. Докукин, И.И. Документов. – Баку: Азнефтеиздат, 1945.
7. Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Исследование рабочего процесса погружного поршневого гидроприводного насоса / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №687, 1976.
8. Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Погружной насос для перебурки водопоглащающих горизонтов с местной промывкой забоя (Расчет рабочих параметров погружных поршневых насосов с гидроприводом) / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИЭИУголь, № 12, 1976.
9. Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Штанговый поршневой насос для откачки жидкости из стволов шахт, пройденных бурением / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, № 12, 1976.
10. Неудачин Г.И., Пилипец В.И. Погружной пневматический насос / Г.И. Неудачин, В.И. Пилипец. – М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976.