Мартын Виктор Иосифович

1. Исследовать рабочие циклы устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос) на основе уравнения Бернулли.
2. Исследовать рабочие циклы устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос) на основе системы уравнений Чарного.
3. Провести сравнение результатов описания рабочих циклов, выполненных по разным моделям, и определить границы их применения.
4. Разработать рекомендации по применению устройств с неустановившимся движением жидкости в скважины (ударный механизм и пульсационный насос).

Идея работы – применение различных подходов для описания рабочих циклов устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос).

Объект исследований - устройства с неустановившимся движением жидкости в скважине.

Предмет исследований - рабочие циклы устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос).

2. Возможные результаты, которые ожидаются при выполнении работы, их новизна и значение

Новые результаты:

• Математические модели рабочих циклов устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос) на основе уравнения Бернулли.
• Математические модели рабочих циклов устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос) на основе системы уравнений И. А. Чарного.
• Рекомендации по выбору конструктивных параметров и технологии применения устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос).

Значение работы заключается:

• В определении областей применение математических моделей рабочих циклов устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос) на основе уравнения Бернулли и системы уравнений И. А. Чарного.
• В разработке рекомендаций по выбору конструктивных параметров и технологии применения устройств с неустановившимся движением жидкости в скважине (ударный механизм и пульсационный насос).

Запланированная апробация результатов (участие в конференциях, подача работ на конкурс, публикации, подача заявок на изобретение и т.д.)

Участие в республиканской научно-технической конференции студентов Бурение. Подача работы на конкурс студенческих научно–исследовательских работ и заявки на полезную модель.

3. Аналитический обзор

3.1 Ударные механизмы, реализующие энергию упругой деформации твердого тела

Гидравлические ясы, зарядка которых осуществляется при фиксации (торможении) бойка за счет перепада давления жидкости, перемещаемой между полостями устройства, широко используются в практике бурения на нефть и газ и достаточно полно освещены в литературных и патентных источниках. [1, 2, 7]

Более надежными из этих УМЛП считаются ясы закрытого типа (ГУМ, устройства фирм Боуэн, Мейсон, Хьюстон Инженирс, и ряд других). Гидравлические ясы открытого типа (ЯГ-146, ЯГ-95), где поршневая камера заполняется промывочной жидкостью, менее эффективны из-за быстрого абразивного износа элементов устройства и возможности заклинивания поршня шламовым материалом, но имеют гораздо более простую конструкцию.

Гидравлический ударный механизм ГУМ (рис. 3.1), спроектированный ВНИИБТ, предназначен для ликвидации прихватов бурового инструмента путем нанесения ударов, направленных вверх или вниз (в зависимости от сборки механизма) [2]. ГУМ состоит из шпинделя 1, переходников 2 и 7, соединенных с цилиндром 3, что имеет две камеры различного сечения, бойка 4 с поршнем 5 и штоком 6, установленных внутри цилиндра 3 и связанных со шпинделем 1. Поршневая полость устройства герметизирована и залита маслом.

При ликвидации прихватов ГУМ соединяют с аварийным снарядом и дают натяжение бурильной колонне усилием, превышающим его вес на 200-800 кН. Сначала скорость перемещения поршня 5 будет небольшой, так как в надпоршневой полости создается противодавление при перетекании масла под поршень через три дроссельных отверстия. При этом колонна бурильных труб растягивается, накапливая запас энергии. Пройдя 213 мм, поршень 5 попадает в часть цилиндра 3 с продольными пазами. Поскольку площадь сечения для прохода масла с надпоршневой полости в подпоршневую увеличивается более, чем в 200 раз, то шпиндель 1, увлекающийся трубами, которые сжимаются, перемещается вверх и бойком 4 ударяет по внутреннему торцу переходника 2. Этот удар передается прихваченному инструменту через цилиндр 3 и переходник 7. Для нанесения повторного удара шпиндель 1 опускают вниз, создавая осевую нагрузку 10-20 кН.

Если ГУМ предполагается использовать для нанесения удара вниз, то его разбирают, переворачивают цилиндр 3 с поршнем 5 на 180 градусов и снова собирают. После соединения механизма с прихваченной колонной, разгружают бурильные трубы на величину веса УБТ. После входа поршня 5 в широкую камеру цилиндра 3 давление масла в механизме снижается и УБТ падает, ударяя торцом переводника шпинделя 1 по переводнику 2. Этот удар передается на прихваченный инструмент.

В это время ГУМ – один из самых надежных и эффективных отечественных ясов. Он дает хороший эффект при ликвидации заклиниваний, вызванных падением посторонних предметов в скважину, прихватов шламом, затяжек в желоба. Однако опыт применения механизма показывает, что его эксплуатация в высокотемпературных скважинах (при температуре свыше 140 градусов) нецелесообразна. [8]

При устранении прихвата, обусловленного прилипанием к глинистой корке на небольшой длине, рекомендуется применять две сборки ГУМ, одной из которых предполагается нанесение ударов вверх, а другой – вниз.

Для нанесения ударов вниз в компоновке бурильной колонны должны быть УБТ, вес которых превышает вес прихваченного снаряда не менее, чем на 25 %. При нанесении ударов вверх количество УБТ должно обеспечивать деформацию колонны бурильных труб на 400-500 мм. При вытяжке труб менее 300 мм работа ГУМ малоэффективна.

Рисунок 3.1 — Гидравлический ударный механизм

Устройство [5], изображенное на рис. 3.1, относится к гидравлическим ясам открытого типа. Оно состоит из корпуса 1 с кольцевой проточкой 2 на внутренней поверхности шпинделя 3 и полого штока 4, выполненного в виде шестигранника для передачи вращения с бурильных труб на корпус 1. В нижней части штока 4 выполнено седло 5 под клапан 6 с дроссельным каналом 7, а также установлен поршень-боек 8, уплотненный манжетами 9, поджатыми опорным кольцом 10. На присоединительную резьбу 11 в нижней части корпуса 1 навинчен обратный клапан 12. Шток 4 и поршень 8 имеют радиальные каналы 13 для связи полости штока с кольцевой камерой 14.

Яс может включаться в состав бурового снаряда или спускаться к месту возникновения аварии. При этом клапан 6 отсутствует, что позволяет осуществлять промывку через полость штока 4. После сброса клапана 6 и его посадки в седло 5 натягивают колонну бурильных труб. Шток 4 начинает перемещаться вверх, обратный клапан 12 закрыт, а жидкость из камеры 14 через каналы 13 и дроссельный канал 7 перетекает в подпоршневую полость корпуса 1. За счет перепада давления на канале 7 происходит растяжение бурильной колонны. После того, как поршень 8 войдет в кольцевую проточку 2, промывочная жидкость свободно перетекает из верхней полости корпуса 1 в нижнюю.

Усилие, которое тормозит шток 4, исчезнет, и последний, разгоняясь за счет резкого сжатия колонны труб, нанесет мощный удар поршнем-бойком 8 по внутреннему выступу корпуса 1.

Для нанесения следующего удара инструмент подают вниз. Промывочная жидкость при этом свободно перетекает между полостями механизма. При достижении шпинделем 3 крайнего нижнего положения снова дают натяжение бурильной колонне и цикл повторяется.

Преимуществами этого механизма являются:

• Простота конструкции и эксплуатации;
• Возможность включения в состав снаряда, что позволяет повысить оперативность аварийных работ;
• Воздействие на забой промывочного агента и возможность проведения других операций по ликвидации прихвата (например, установка ванн и др.).

В тоже время устройство имеет недостатки ясов открытого типа.

Гидравлический яс оригинальной конструкции [9],создан в Ивано-Франковском институте нефти и газа. Это устройство открытого типа влияет на зону прихвата и инструмент соединяет мощные ударные импульсы с резким снижением статического уровня. Кроме того, при нанесении первого удара, зона прихвата изолируется от столба промывочной жидкости в скважине. Тем самым повышается эффективность устранения прилипания снаряда к глинистой корке.

3.2 Ударный механизм, реализующий энергию гидростатического давления жидкости в скважине

УМЛП этого типа не нашли пока широкого применения. В ранее созданных устройствах для освобождения прихваченного снаряда использовались гидроударные явления, возникавшие при заполнении жидкостью вакуумированных камер. Эти механизмы отличались невысокой эффективностью, потому что они были разового действия (для повторной зарядки их необходимо было вытаскивать на поверхность).

В состав УМЛП-89 (рис.3.2) входят корпус 1 со штоком 2. Шток 2 имеет наковальню 3 и перегородку 4, между которыми установлен поршень-боек 5. В корпусе 1, который имеет уступы 6 для взаимодействия с бойком 5, имеются боковые отверстия 7, выполняющие роль органа управления и предназначены для обеспечения возможности соединения подпоршневой камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса 1 установлен переходник 8, имеющий шлицевое соединение с нижней частью штока 2, что обеспечивает передачу крутящего момента от бурильных труб, связанных с корпусом, на шток для свинчивания УМЛП с прихваченным снарядом. Под перегородкой 4 размещен обратный клапан 9 для соединения подпоршневой камеры со скважиной при движении поршня-бойка 5 вниз. В штоке 2 также установлен обратный клапан 10 для разъединения полости бурильной колонны и затрубного пространства.

Рисунок 3.2 — УЛП-89

Устройство работает следующим образом. После возникновения аварии УМЛП спускается в скважину, заполненную промывочной жидкостью, и устанавливается над прихваченной частью бурового снаряда. Обратный клапан 10 при этом предотвращает поступление промывочного агента из скважины в бурильные трубы, которые остаются пустыми или заполненными частично (исходя из крепости колонны на смятие).

Поэтому в надпоршневой камере устройства поддерживается давление, значительно меньшее, чем в скважине. Затем корпус 1 поднимается вверх до совмещения боковых отверстий 7 с подпоршневой зоной. Поток жидкости из затрубного пространства направляется под поршень-боек 5, перемещая последний вверх. В конечной точке он наносит удар по наковальне 3, передаваемый прихваченному инструменту через шток 2.

Для повторного нанесения удара устройство возвращается в исходное положение. При этом колонна бурильных труб опускается. Уступ корпуса 1, контактируя с поршнем-бойком 5, перемещает последний вниз к перегородке 4. При этом жидкость из подпоршневой камеры вытесняется в скважину через обратный клапан 9, а боковые отверстия 7 занимают положение ниже перегородки 4, перекрывая доступ раствора в подпоршневую полость. Давление жидкости в надпоршневой полости и в скважине становятся такими же, как и перед началом работы. Затем цикл можно повторить.

По сравнению с известными ударными механизмами УМЛП-89 имеет следующие преимущества:

• Высокие энергетические показатели при малых затратах приводной мощности;
• Благодаря исключению участия колонны в создании и восприятии ударных нагрузок, передаваемых на прихваченный снаряд, повышенна надежность устройства и улучшенны условия эксплуатации бурильных труб;
• За счет эффективной передачи энергии удара на прихваченный инструмент в искривленных скважинах расширена область применения УМЛП;
• Возникающее при работе механизма резкое локальное снижение давления в зоне аварии позволяет увеличить вероятность ликвидации прихватов, обусловленных перепадом давления между скважиной и пластом;
• Возможность регулирования энергетических параметров в широких пределах;
• Простота конструкции, монтажа, ремонта и безопасность применения.

Вышеперечисленные преимущества свидетельствуют о перспективности применения УЛП-89 при устранении прихватов в разведочных скважинах диаметром 76-93 мм и более. Однако это устройство не может эксплуатироваться в скважинах с низким уровнем промывочной жидкости.

4. Проектирование устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда

На кафедре технологии и техники бурения скважин ДонНТУ при участии автора была разработана новая схема устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда, на которую был получен патент на полезную модель.

Рисунок 4.1 — Схема устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда

Устройство (рис. 4.1) состоит из корпуса 1 с радиальными отверстиями 2 и уступом 3 на внутренней поверхности, концентрически установленного полого штока 4 с наковальней 5 и поршня-бойка 6, расположенного в кольцевом пространстве между корпусом 1 и штоком 4 ниже наковальни 5 на жестко соединенной со штоком 4 перегородке 7 с обратным клапаном 8. В нижней части корпуса 1 выполнен переходник 9, который имеет шлицевое соединение с нижней частью штока 4 для передачи крутящего момента от бурильных труб 10 на шток 4. Полость над поршнем-бойком 6 выполнена в виде камеры 11 низкого давления, изолированной от пространства колонны бурильных труб 10 с помощью поршня 12, установленного свободно относительно корпуса 1 и жестко соединенного с наковальней 5. Камера 11 низкого давления заполнена воздухом или газом и в ней размещен упругий элемент-пружина 13. Полость штока 4 и пространство внутри колонны бурильных труб 10 соединены каналом 14 в поршне 12.

Устройство работает следующим образом.

Он включается в состав бурового снаряда и устанавливается над колонковым набором (не показан), который является наиболее уязвимой частью снаряда с точки зрения возникновения прихвата. При бурении крутящий момент передается от колонны бурильных труб 10 на шток 4 за счет переходника 9, который имеет шлицевое соединение с нижней частью штока 4, а осевая нагрузка передается на забой за счет взаимодействия верхней части корпуса 1 с поршнем 12. Промывочная жидкость проходит в колонковый набор через канал 14 и полость штока 4.

Рисунок 6.2 — Работа устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда
Рисунок анимирован. объем — 83,2 кб.; количество кадров — 5; время задержки — 0,5с.; количество повторений — 7.

В случае возникновения прихвата колонкового набора (не показан) корпус 1 поднимается с помощью бурильных труб 10 до соединения радиальных отверстий 2 с полостью корпуса 1 между поршнем-бойком 6 и перегородкой 7. За счет того, что давление под поршнем-бойком 6, равно гидростатическому давлению столба промывочной жидкости в скважине, значительно превышает давление воздуха в камере 11 низкого давления (равное атмосферному), то жидкость из скважины перетекает под поршень-боек 6 и перемещает его вверх. Поршень-боек 6 движется вверх, сжимая пружину 13 и воздух в камере 11 низкого давления, и наносит удар по наковальне 5, который через шток 4 передается на прихвачена колонковый набор. При этом конечная скорость поршня-бойка 6, а, следовательно, и энергия удара регулируются подбором жесткости пружины 13 исходя из прочности элементов устройства и резьбовых соединений.

Для возврата устройства в первоначальное положение колонна бурильных труб 10 подается вниз или под действием собственного веса, или под действием механизма подачи. При этом корпус 1 движется вниз и уступом 3, который контактирует с поршнем-бойком 6, перемещает его вниз. При этом жидкость из-под поршня-бойка 6 вытесняется в скважину через обратный клапан 8 и отверстия 2, которые на тот момент занимают положение ниже перегородки 7. При этом пружина 13 возвращается в исходное положение. Далее цикл работы повторяется.

Применение предлагаемого устройства позволяет наносить удары при возникновении аварии в скважине без проведения дополнительных подготовительных операций за счет постоянного поддержания низкого давления в полости над поршнем-бойком.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 г. Полный текст работ и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том 1.-М.:Недра,1985.-382 с.
2. Гидравлический бурильный яс. Международная заявка 84/00577 РСТ МКИ4 Е21В 31/113 / Дж. Ньюмен; Опубл. 16.02.1984.
3. Каракозов А.А. Ударные механизмы для ликвидации прихватов бурового снаряда в разведочных скважинах. В кн. Пути повышения эффективности геологоразведочных работ: Тезисы докладов научно-техн. конференции Научные разработки - геологоразведчикам региона.- Днепропетровск, ДГИ, 1990.-С.37-38.
4. Гидравлический ловильный яс для применения в скважинах, снабженный последовательно расположенными поршнями. Заявка Великобритании N 1959401 МКИ4 Е21В 31/113 НКИ E1F; Опубл. 9.09.1981.
5. Гидравлический яс. А.с. 1078028 СССР E21B 31/113 / Червинский В.П., Абрамов В.Б., Филев В.Н. и др.;Опубл. 30.01.1984, БИ N4.
6. Гидравлический яс. А.с. 13646992 СССР МКИ4 Е21В 31/113 / Каранда С.И., Мерянов В.К., Басов Н.И.; Опубл. 7.01.1988, БИ N1.
7. Гидравлический бурильный яс. Международная заявка 84/00577 РСТ МКИ4 Е21В 31/113 / Дж. Ньюмен; Опубл. 16.02.1984.
8. Дубленич Ю.В., Жданков В.Ф. Определение области эффективного применения гидравлического ударного механизма для ликвидации прихватов бурильных труб / РНТС "Бурение".-Вып.4.-М.:ВНИИЭОНГ, 1979.-С.12-14.
9. Устройство для ликвидации прихватов. А.с. 1330301 СССР МКИ4 Е21В 31/113 / Ясов В.Г., Андрийчук И.С., Аниськовцев А.В. и др.; Опубл. 15.08.1987,БИ N30.
10. Горная энциклопедия [электронный ресурс]. — Режим доступа: Приведенно описание прихватов