В результате выполненных работ разработана ДКТ, которая позволяет осуществлять бурение в условиях поглощения промывочной жидкости.
Разработанный двойной колонковый снаряд защищает керн от потока жидкости, самозаклинивает его, защищает от истирания во внутренней невращающейся трубе, исключает самоистирание керна от вовлекаемых во вращение кусков керна за счет опережения внутренней трубы, обеспечивает его защиту от выпадения из колонковой трубы.
Основным условием для бурения - это наличие столба жидкости не менее 6 м. Бурение осуществляется по общепринятой методике с расхаживанием колонны бурильных труб на высоту 100мм с частотой 25 ход/мин. Таким образом, использование разработанной ДКТ позволяет усовершенствовать безнасосное бурение при отсутствии или недостатке технической воды для промывки скважин, при сильных поглощениях промывочной жидкости и для повышения выхода керна в рыхлых и нарушенных породах
Выполненные расчеты подтверждают работоспособность конструкции ДКТ. Бурение с разработанной ДКТ можно осуществлять в скважинах диаметром 76мм и более. По породам категории VI-VII по буримости целесообразно использовать твердосплавные коронки типа СМ4, СМ6, СТ2. Усилие пружины ДКТ позволяет штампу внутренней трубы внедряться в такие породы без вращения.
Для бурения в условиях, когда возникает поглощение промывочной жидкости, происходит потеря жидкости до 50л/мин – это приводит к простоям, оседанию шлама и прихватам. В таком случае, для перебуривания зоны осложнений до тампонирования или крепления ее обсадными трубами, разработаны различные способы бурения без выхода промывочной жидкости на поверхность.
При вращательном бурении с промывкой для получения заданного геологами количества керна (по углю не менее 80%, по рудам 70%) полезные ископаемые перебуриваются одинарными эжекторными или двойными колонковыми трубами.
Для интенсификации промывки над колонковой трубой устанавливаются насосы различной конструкции. Наиболее простым способом бурения в условиях поглощения промывочной жидкости является безнасосный способ.
Недостатком безнасосного способа бурения является разрушение керна при расхаживании буровой колонны. Однако безнасосный способ бурения в условиях поглощения промывочной жидкости может быть использован при отсутствии более эффективных способов и технических средств.
Целью работы является разработка конструкции двойной колонковой трубы для безнасосного бурения в условиях поглощения промывочной жидкости, которая позволяет отбирать керн, который не разрушается при расхаживании колонны бурильных труб
Для достижения поставленной цели определяются следующие задачи:
Поставленные задачи решаются путем обобщения и анализа патентных и литературных источников, проведения теоретических исследований, выполнения исследовательско-конструкторских работ.
Уточнена методика расчета ДКТ, позволившая изучить закономерности работы усовершенствованного устройства с возможностью выбора эффективного сочетания конструктивных размеров механизма и параметров системы: ДКТ-скважина.
Научное значение работы заключается в возможности использования полученной теоретической модели и применение добытых знаний в буровой отрасли.
Практическое значение выражается в создании эффективной конструкции ДКТ за счет возможности устранения разрушения керна при расхаживании бурового снаряда.
Основным недостатком безнасосного бурения существующих конструкций ДКТ является частое возникновение знакопеременных нагрузок в бурильных трубах в процессе расхаживания снаряда, что приводит к преждевременному износу труб и их соединений [3] .
С целью предохранения керна от разрушения при расхаживании колонны бурильных труб при безнасосном способе бурения целесообразно использовать не одинарную, а двойную колонковую трубу.
Предлагается усовершенствованная конструкция двойной колонковой трубы для безнасосного бурения в условиях поглощения промывочной жидкости, которая представлена на рисунке 3.1.
Принцип действия усовершенствованной ДКТ заключается в следующем:
Над колонковой трубой помещают шаровой обратный клапан 3, а в клапанной коробке 1 просверливают отверстия для выхода промывочной жидкости. При бурении периодически производят расхаживание инструмента (25 ходов в мин.). При подъеме клапан закрыт и в пространстве над керном в колонковой трубе создается разрежение.
Жидкость из кольцевого пространства под давлением столба ее в скважине проходит через коронку, захватывает частицы шлама и увлекает их в колонковую трубу. При опускании инструмента давление в колонковой трубе повышается, и клапан открывается.
Так как гидравлическое сопротивление клапана значительно меньше, чем сопротивление узкого кольцевого зазора между керном и колонковой трубой, то большая часть жидкости, вытесняемой керном, действующим как поршень, вытекает через клапан в бурильные трубы. Затем она выливается через отверстие в трубах обратно в кольцевое пространство, совершая таким образом круговую циркуляцию.
Для того, чтобы клапан нагнетательный 3 не выпал под действием потока жидкости, в конструкции ДКТ предусмотрен ограничитель 2, который будет удерживать шариковый клапан. Кернодержатель 20 перевернут, для того чтобы керн входил свободно и сильнее заклинивался. Внутренняя труба 7 установлена на подшипниках, а пружина, в данной конструкции, создает напряжение на нее.
Рисунок 3.1 - Усовершенствованная двойная колонковая труба:
1-ниппель двухпрорезной; 2-ограничитель; 3-клапан нагнетательный; 4-труба шламовая; 5- нипель замка; 6-переходник; 7-труба внутренняя; 8-манжета; 9-корпус подшипника; 10- основание шарика; 11- шар; 12-кольцо стопорное; 13-пружина 14-корпус средний; 15- нипель; 16- клапан всасывающий; 17-седло клапана; 18-труба керноприемная; 19-труба колонковая наружная; 20-кернодержатель; 21-заклепки; 22-штамп.
Анимация 3.1 - Работа усовершенствованной двойной колонковой трубы:
Анимация содержит: 3 слайда; 6 кадров; 88 КБ.
Бурение скважины при помощи разработанной конструкции двойной колонковой трубы ведется вращательным способом.
При этом внутренняя керноприемная труба, связанная с наружной трубой через подшипниковый узел не вращается. Кроме того, благодаря ее подвижному в осевом направлении соединению и наличию специальной пружины обеспечивается работа керноприемной трубы в режиме «штампование». Применение разработанного снаряда позволяет повысить качество опробования рыхлых, несвязных грунтов, уменьшить стоимость одного погонного метра бурения и увеличить продолжительность одного рейса.
Для интенсификации промывки скважины при бурении с местной промывкой в условиях поглощения промывочной жидкости используются различные погружные насосы. Над колонковой трубой устанавливается погружной насос с гидро - или пневмоприводом, винтовой, эжекторный. Насос засасывает жидкость из колонковой трубы и выдает ее в скважину выше уровня жидкости. Шлам собирается в шламовой трубе.
На (рис. 4.1.) представлен колонковый снаряд со встроенным винтовым насосом конструкции А.А. Волокитенкова, В.И. Максимова.
Для лучшей очистки промывочной жидкости от шлама этот снаряд можно оснащать несколькими наружными шламоулавливающими трубами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга выше колонковой трубы. Основное преимущество данного снаряда - его можно использовать для бурения по твердым породам.[4]
Рисунок 4.1 - Колонковый снаряд со встроенным насосом конструкции А.А. Волокитенкова, В. И. Максимова, М.М.Розина, В.М.Швецова
1-коронка; 2- колонковая труба; 3,6,21,27 –переходники; 4- шламоприемная труба; 5- бурильная труба; 7- обратный клапан; 8-уплотнения; 9- обойма; 10- уплотнительное кольцо; 11- резиновый чулок; 12,13,14- детали винтового насоса; 15- труба; 16- гибкая муфта; 17- квадратное соединение; 18,25- пружины; 19- резиновая обойма; 20- упорное кольцо; 22-32- детали распорного устройства; 33- бурильная труба.
Для увеличения производительности встроенного в буровой снаряд насоса была разработана схема колонкового набора с использованием поршневого насоса (рис. 4.2).
Рисунок 4.2 -Колонковый снаряд для призабойной циркуляции с поршневым насосом
Колонковый набор состоит из наружной колонковой трубы 12 с коронкой 15, внутренней керноприемной трубы 13 со штампом 14, переходника 11 со встроенными клапаном и штоком 10. Насосная часть состоит из цилиндра 6, в котором перемещается шток 5 с поршнем 7, оснащенным клапаном 8. Шток и поршень имеют только возвратно- поступательное движение, от вращения они удерживаются стопорным пальцем 4, который входит в паз штока. На верхнем конце штока крепится кулачек 3 с пазом, имеющим в развертке вид синусоиды. В пазу перемещается палец 2, закрепленный на корпусе 1. Второй клапан встроен в цилиндр 6, который связан с переходником 11 штоком 10. Шток 10 в цилиндре 6 под воздействием пружины 9 имеет возможность осевого перемещения, чем достигается регулирование выхода штампа из-под торца коронки. При вращении колонны корпус 1 с помощью пальца 2 перемещается кулачек со штоком и поршнем относительно цилиндра 6. [1]
При движении поршня вверх происходит наполнение цилиндра жидкостью, при движении вниз - нагнетание последней на забой. Перестановкой клапанов обеспечивается прямая или обратная циркуляция. На наружной трубе укреплена специальная коронка для разрушения породы на забое. Внутренняя труба предназначена для приема керна, предохранения его от разрушения при бурении и удержании при подъеме. На внутренней трубе укреплена твердосплавная коронкам и специальный штамп.
С целью установления возможности использования ДКТ при безнасосном бурении проведен анализ конструкций двойных колонковых труб, которые после усовершенствования можно использовать при безнасосном бурении.
По принципу закрепления внутренней трубы ДКТ бывают:
-ДКТ-В с вращающейся внутренней трубой;
-ДКТ-Н с невращающейся внутренней трубой;
ДКТ-В с вращающейся внутренней трубой обеспечивают повышение выхода керна только за счет обеспечения во внутренней трубе обратной промывки.[5] Обратная промывка создается применением специального переходника, распределяющего потоки жидкости из бурильных труб в зазор между внутренней и наружными трубами или эжекторным насосом, установленным над внутренней трубой.
В ДКТ-Н внутренняя труба не вращается, за счет использования шарикового подшипника. В таких трубах штамп опережает коронку на 1,5-2мм и поэтому поток жидкости выходит из кольцевого зазора сразу на забой, минуя керн, что исключает его размыв.
По принципу направления промывки ДКТ выпускают:
- с прямой промывкой;
-с обратной промывкой;
По принципу получения керна ДКТ-В и ДКТ-Н делятся:
- снаряды обуривающего типа;
- снаряды штампующего типа для отбора проб угля.
В институте ВИТР разработана серия двойных колонковых труб обуривающего типа ТДВ с вращающейся и ТДН с невращающейся внутренней трубой. Труба двойная ТДВ-1, (рис. 4.3) предназначена для бурения слаботрещиноватых малоустойчивых пород VII-X категории по буримости.
Рисунок 4.3 - Труба ТДВ-1 обуривающего типа с вращающейся внутренней трубой:
1,2-переходники; 3-гайка; 4- наружная труба; 5- шайба; 6- шаровой клапан; 7- внутренняя труба; 8- расширитель; 9-коронка.
Двойные трубы серии ТДН снабжены подшипниковым узлом для удержания внутренней трубы от вращения. Конструктивное отличие труб состоит в размерах проходных каналов, которые позволяют бурить на воде или на глинистом растворе. Кернорватель выполнен в виде пружинного кольца. Трубы ТДН-1 (рис. 4.4.а) предназначены для бурения серийными алмазными и твердосплавными коронками монолитных слаботрещиноватых пород V-XII категории по буримости с промывкой скважины только водой. Корпус кернорвателя имеет внутреннюю цилиндрическую проточку, в которой расположена нижняя часть внутренней трубы. Между торцом проточки и нижним торцом внутренней трубы имеет зазор размером 0,5-1 мм, величина которой регулируется гайкой.
Обратный шариковый клапан предназначен для предохранения керна от выдавливания столбом жидкости при подъеме инструмента. При бурении клапан открывается и предотвращает возникновения водяной или воздушной подушки во внутренней трубе.
Двойная труба ТДН-2 (рис. 4.4.б) предназначена для бурения с промывкой водой или глинистым раствором.[2] Алмазная коронка специальной конструкции имеет увеличенную ширину матрици и удлиненный стальной корпус с внутренней резьбой.
Труба четвертого типа ТДН-4 (рис. 4.4.в) предназначена для бурения разрушенных, легко размывающихся пород с промывкой водой или глинистым раствором. Трубы оснащаются специальными однослойными алмазными коронками КДТ-4А или импрегнированными коронками КДТ-4И.
Рисунок 4.4 - а -ТДН-1; б -ТДН-2; в -ТДН-4;
1- переходник; 2- наружная труба; 3-подшипниковый узел; 4- шаровой клапан; 5- внутренняя труба; 6-расширитель; 7- корпус кернорвателя; 8-кернорватель; 9 - алмазная коронка;
На рисунке 4.5. приведена труба двойная невращающейся ТДН-ССК, которая предназначена для алмазного бурения. Конструкция трубы позволяет включить ее в состав бурового снаряда для бурения ССК.[10] Внутренняя труба 4 укреплена на подшипниковом узле 3, который не передает вращение на внутреннюю трубу. В переходнике 1 поток промывочной жидкости изменяет направление и таким образом прямая промывка преобразуется в обратную. Пройдя по зазору между наружной 5 и внутренней 4 трубами, жидкость доходит до наружной алмазной коронки 7.
Рисунок 4.5 - Невращающаяся двойная труба ТДН-ССК
Здесь поток жидкости разделяется, часть потока уходит в пространство между наружной трубой и стенками скважины. Так как на наружной трубе 5 снаружи укреплены расширитель 2 и калибратор 6, которые уменьшают сечение кольцевого зазора и создают сопротивление потоку, то жидкости легче пройти через внутреннюю трубу мимо керна, чем через кольцевой зазор. Поэтому в кольцевой зазор уходит меньшая часть потока жидкости. Большая часть потока входит во внутреннюю трубу. В районе коронки поток жидкости воздействует на керн и поэтому керн частично размывается. Для срыва керна и удержания его при подъеме во внутренней трубе расположен обычный пружинный кернорватель открытого типа, т.е. находящийся во трубе и постоянно контактирующий с керном.[6]
В СКБ Министерства геологии СССР разработана двойная колонковая труба ЗКС-112 (рис.4.6) с невращающейся внутренней трубой.[9] Труба предназначена для бурения скважин диаметром 112мм четырехшарошечными колонковыми долотами типа 6ДК-112К с центральным каналом для приема керна диаметром 44мм.
Рисунок 4.6 - Двойная колонковая труба ЗКС-112:
а- с пружинным кернорвателем; б- с пластинчатым кернорвателем;
1-шпиндель; 2- переходник; 3- штырь для удержания шариков; 4- наружная труба; 5,8,10,14-резиновые уплотнительные кольца; 6- шариковый замок-подшипник; 7-долото; 9-подшипник узла подвески; 11- шарик-клапан; 12- седло обратного клапана; 13- внутренняя труба; 15- внутренняя обойма; 16- палец; 17- наружная обойма; 18-корпус кернорвателя; пружинный кернорватель; 20-распорная втулка; 21- пластинчатый кернорватель; 22-конусное кольцо
Шариковый замок 6 удерживает внутреннюю трубу 15, которая вставляется в наружную обойму 17. Количество промывочной жидкости регулируется заменой седла обратного клапана 12 с различными диаметрами проходного отверстия.[7] Внутренняя и наружная трубы могут состоять из нескольких секций длиной до 12м, которые вставляются друг в друга. Для увеличения жесткости наружная труба выполнена из толстостенной ниппельной заготовки.
В колонковых снарядах типа 3КС применяются кернорватели различных типов:рычажковые, цанговые, лепестковые, рулонные. В 1970г был изобретен двойной колонковый снаряд учеными И.И. Толокновым и М.М.Розиновым, состоящий из наружной трубы, с цанговым зажимом и конусными кулачками в нижней части и золотника (рис. 4.7)
Рисунок 4.7 - Двойной колонковый снаряд
Снаряд с целью увеличения выхода керна при бурении, что в конечном итоге приводит к повышению эффективности работы, снабжен размещенным в кольцевой полости между наружной и внутренней трубами поршнем, связанным с внутренней трубой срезным элементом и снабженным конусной выточкой для взаимодействия с конусными кулачками.
Он состоит из наружной трубы 1, внутренней трубы 2, переходника 3 с каналами 4 и 3 и золотника 6. Внутренняя труба имеет в нижней части цанговый зажим 7 с конусными кулачками 8. В кольцевой полости 9 между наружной и внутренней трубами размещен поршень 10, связанный с внутренней трубой срезным элементом 11. Поршень снабжен конусной выточкой 12. В конце рейса через бурильные трубы забрасывают шарик 13, который перекрывает центральный канал 14,направляя промывочную жидкость по каналу 4 к поршню, который под действием давления этой жидкости, срезает срезной элемент и перемещается вниз.
Конусная выточка поршня вступает во взаимодействие с конусными кулачками цангового зажима, заставляя последний сжиматься и заклинивать керн. При безнасосном бурении очень важно поддерживать ритмичное расхаживание снаряда, в противном случае создаются благоприятные условия для осаждения шлама между керном и колонковой трубой и в наружном кольцевом зазоре, что приводит к прекращению циркуляции жидкости, заклиниванию керна в колонковой трубе, отрыву его и подъему под переходник, а также заклиниванию колонковой трубы. Расхаживание инструмента при помощи лебедки станка отрицательно сказывается на работе узлов и повышает их износ.[8]
В двойной колонковой трубе (ДКТ) с вращающейся внутренней трубой возможно повреждение керна за счет трения его о стенки внутренней трубы, а в конструкции двойного колонкового снаряда (ДКС) обуривающего типа керн не защищен от размыва, т.к. промывка контактирует с керном в призабойной части снаряда. Безнасосный способ бурения позволяет получать высокий процент выхода керна даже по мягким, легко размывающимся при обычном бурении породам. При этом отмечается достаточно высокая сохранность керна.
Двойные колонковые трубы защищают керн от потока жидкости, самозаклинивают керн, защищают керн от истирания во внутренней невращающейся трубе, исключают самоистирание керна от вовлекаемых во вращение кусков керна за счет опережения внутренней трубы, обеспечивают защиту керна от выпадения из колонковой трубы
В результате выполненных работ разработана ДКТ, которая позволяет осуществлять бурение в условиях поглощения промывочной жидкости.
Разработанный двойной колонковый снаряд защищает керн от потока жидкости, самозаклинивает его, защищает от истирания во внутренней невращающейся трубе, исключает самоистирание керна от вовлекаемых во вращение кусков керна за счет опережения внутренней трубы, обеспечивает его защиту от выпадения из колонковой трубы. Основным условием для бурения - это наличие столба жидкости не менее 6м.
Бурение осуществляется по общепринятой методике с расхаживанием колонны бурильных труб на высоту 100мм с частотой 25 ход/мин.
Таким образом, использование разработанной ДКТ позволяет усовершенствовать безнасосное бурение при отсутствии или недостатке технической воды для промывки скважин, при сильных поглощениях промывочной жидкости и для повышения выхода керна в рыхлых и нарушенных породах
Бурение с разработанной ДКТ можно осуществлять в скважинах диаметром 76мм и более.По породам категории по буримости целесообразно использовать твердосплавные коронки типа СМ4, СМ6,СТ2.Усилие пружины ДКТ позволяет штампу внутренней трубы внедряться в такие породы без вращения.Экономический эффект от использования разработанной ДКТ может составить 2000 грн.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.