Мартин Віктор Йосипович

1. Дослідити робочі цикли пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос) на основі рівняння Бернуллі.
2. Дослідити робочі цикли пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос) на основі системи рівнянь Чарного.
3. Провести порівняння результатів опису робочих циклів, виконаних за різними моделями, і визначити межі їх застосування.
4. Розробити рекомендації по застосуванню пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос).

Ідея роботи – застосування різних підходів для опису робочих циклів пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос).

Об'єкт досліджень - пристрої з несталим рухом рідини у свердловині.

Предмет досліджень - робочі цикли пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос).

2. Можливі результати, які очікуються при виконанні роботи, їхня новизна та значення.

Нові результати:

• Математичні моделі робочих циклів пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос) на основі рівняння Бернуллі.
• Математичні моделі робочих циклів пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос) на основі системи рівнянь Чарного.
• Рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів і технології застосування пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос).

Значення роботи полягає:

• У визначенні галузей застосування математичних моделей робочих циклів пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос) на основі рівняння Бернуллі та системи рівнянь Чарного.
• У розробці рекомендацій щодо вибору конструктивних параметрів і технології застосування пристроїв з несталим рухом рідини у свердловині (ударний механізм і пульсаційний насос).

Запланована апробація результатів (участь в конференціях, подача робіт на конкурс, публікації, подача заявок на винахід тощо)

Участь у республіканській науково-технічній конференції студентів Буріння. Подача роботи на конкурс студентських науково-дослідних робіт і заявка на корисну модель.

3. Аналітичний огляд

3.1 Ударні механізми, що реалізують енергію пружної деформації твердого тіла.

Гідравлічні яси, зарядка яких здійснюється при фіксації (гальмуванні) бойка за рахунок перепаду тиску рідини, що перетікає між порожнинами пристрою, широко використовуються в практиці буріння на нафту й газ і досить повно освітлені в літературних і патентних джерелах. [1, 2, 7]

Більш надійними із цих УМЛП вважаються яси закритого типу (ГУМ, пристрої фірм Боуен, Мейсон, Х'юстон Інженірс, і ряд інших). Гідравлічні яси відкритого типу (ЯГ-146,ЯГ-95), де поршнева камера заповнюється промивною рідиною, менш ефективні через швидке абразивне спрацювання елементів пристрою й можливості заклинювання поршня шламовим матеріалом, але мають набагато простішу конструкцію.

Гідравлічний ударний механізм ГУМ (рис. 3.1), спроектований ВНДІБТ, призначений для ліквідації прихватів бурового інструмента шляхом нанесення ударів, спрямованих вгору або вниз (залежно від зборки механізму). [2]. ГУМ складається зі шпинделя 1, переводників 2 й 7, з'єднаних із циліндром 3, що має дві камери різного перетину, бойка 4 з поршнем 5 і штоком 6, встановлених усередині циліндра 3 і зв'язаних зі шпинделем 1. Поршнева порожнина пристрою герметизована й залита маслом.

При ліквідації прихватів ГУМ з'єднують з аварійним снарядом і дають натяг бурильній колоні зусиллям, яке перевищує її вагу на 200-800 кН. Спочатку швидкість переміщення поршня 5 буде невеликою, тому що в надпоршневій порожнині створюється протитиск при перетіканні масла під поршень через три дросельних отвори. При цьому колона бурильних труб розтягується, накопичуючи запас енергії. Пройшовши 213 мм, поршень 5 потрапляє в частину циліндра 3 з поздовжніми пазами. Оскільки площа перетину для проходу масла з надпоршневої порожнини в підпоршневу збільшується більш, ніж в 200 разів, то шпиндель 1, що захоплюється трубами, які стискаються, переміщується нагору й бойком 4 ударяє по внутрішньому торцю переводника 2. Цей удар передається прихваченому інструменту через циліндр 3 і перехідник 7. Для нанесення повторного удару шпиндель 1 опускають униз, створюючи осьове навантаження 10-20 кН.

Якщо ГУМ передбачається використовувати для нанесення удару вниз, то його розбирають, перевертають циліндр 3 з поршнем 5 на 180 градусів і знову збирають. Після з'єднання механізму з прихваченою колоною розвантажують бурильні труби на величину ваги УБТ. Після входу поршня 5 у широку камеру циліндра 3 тиск масла в механізмі знижується й УБТ падає, ударяючи торцем переводника шпинделя 1 по переводнику 2. Цей удар передається на прихвачений інструмент.

У цей час ГУМ - один із самих надійних й ефективних вітчизняних ясів. Він дає гарний ефект при ліквідації заклинювань, викликаних падінням сторонніх предметів у свердловину, прихватів шламом, затягувань у жолоби. Однак досвід застосування механізму показує, що його експлуатація у високотемпературних свердловинах (при температурі понад 140 градусів) недоцільна. [8]

При усуненні прихвату, обумовленого прилипанням до глинистої корки на невеликій довжині, рекомендується застосовувати дві зборки ГУМ, однією з яких передбачається нанесення ударів нагору, а іншою - униз.

Для нанесення ударів униз у компонуванні бурильної колони повинні бути УБТ, вага яких перевищує вагу прихваченого снаряда не менш, ніж на 25%. При нанесенні ударів нагору кількість УБТ повинне забезпечувати деформацію бурильної колони труб на 400-500 мм. При витяжці труб менш 300 мм робота ГУМ малоефективна.

Рисунок 3.1 — Гідравлічний ударний механізм.

Пристрій, [5] зображений на рис.3.1, відноситься до гідравлічних ясів відкритого типу. Він складається з корпусу 1 з кільцевою проточкою 2 на внутрішній поверхні, шпинделя 3 і порожнистого штока 4, виконаного у вигляді шестигранника для передачі обертання з бурильних труб на корпус 1. У нижній частині штока 4 виконане сідло 5 під клапан 6 із дросельним каналом 7, а також установлений поршень-бойок 8, ущільнений манжетами 9, підгорнутими опорним кільцем 10. На приєднувальну різьбу 11 у нижній частині корпуса 1 навернут зворотний клапан 12. Шток 4 і поршень 8 мають радіальні канали 13 для зв'язку порожнини штока з кільцевою камерою 14.

Яс може включатися до складу бурового снаряда або спускатися до місця виникнення аварії. При цьому клапан 6 відсутній, що дозволяє робити промивання через порожнину штока 4. Після скидання клапана 6 і його посадки в сідло 5 натягають колону бурильних труб. Шток 4 починає переміщатися нагору, зворотний клапан 12 закритий, а рідина з камери 14 через канали 13 і дросельний канал 7 перетікає в підпоршневу порожнину корпуса 1. За рахунок перепаду тиску на каналі 7 відбувається розтягання бурильної колони. Після того, як поршень 8 увійде в кільцеву проточку 2, промивна рідина вільно перетікає з верхньої порожнини корпуса 1 у нижню.

Зусилля, що гальмує шток 4, зникне, і останній, розганяючись за рахунок різкого стиску колони труб, завдасть потужного удару поршнем-бойком 8 по внутрішньому виступу корпуса 1.

Для нанесення наступного удару інструмент подають униз. Промивна рідина при цьому вільно перетікає між порожнинами механізму. При досягненні шпинделем 3 крайні нижні положення знову дають натяг бурильній колоні й цикл повторюється.

Перевагами цього механізму є:

• Простота конструкції й експлуатації;
• Можливість включення до складу снаряда, що дозволяє підвищити оперативність аварійних робіт;
• Вплив на вибій промивного агента й можливість проведення інших операцій по ліквідації прихвату (наприклад, установка ванн й ін.).

У теж час пристрій має недоліки ясів відкритого типу.

Гідравлічний яс оригінальної конструкції [9],створений в Івано-Франківському інституті нафти та газу. Це пристрій відкритого типу впливає на зону прихвату й інструмент (сполучає потужні ударні імпульси з різким зниженням статичного рівня). Крім того, при нанесенні першого удару, зона прихвату ізолюється від стовпа промивної рідини в свердловини. Тим самим підвищується ефективність усунення прилипання снаряда до глинистої кірки.

3.2 Ударні механізми, що реалізують енергію гідростатичного тиску рідини в свердловині.

УМЛП цього типу не знайшли поки широкого застосування. У раніше створених пристроях для звільнення прихваченого снаряда використовувалися гідроударні явища, що виникали при заповненні рідиною вакуумованих камер. Ці механізми відрізнялися невисокою ефективністю, тому що вони були разової дії (для повторної зарядки їх необхідно було витягати на поверхню).

До складу УЛП-89 (рис.3.2) входять корпус 1 зі штоком 2. Шток 2 має ковадло 3 і перегородку 4, між якими встановлений поршень-бойок 5. У корпусі 1, що має уступи 6 для взаємодії з бойком 5, є бічні отвори 7, що виконують роль органа керування й призначені для забезпечення можливості з'єднання підпоршневої камери із затрубним простором. У нижній частині корпуса 1 встановлений переводник 8, що має шлицеве з'єднання з нижньою частиною штока 2, що забезпечує передачу обертального моменту від бурильних труб, пов'язаних з корпусом, на шток для звинчення УМЛП з прихваченим снарядом. Під перегородкою 4 розміщений зворотний клапан 9 для з'єднання підпоршневої камери зі свердловиною при русі поршня-бойка 5 униз. У штоку 2 також установлений зворотний клапан 10 для роз'єднання порожнини бурильної колони й затрубного простору.

Рисунок 3.2 — УЛП-89

Пристрій працює таким чином. Після виникнення аварії УМЛП спускається в свердловину, заповнену промивальною рідиною, і встановлюється над прихваченою частиною бурового снаряда. Зворотний клапан 10 при цьому запобігає надходженню промивного агента зі свердловини в бурильні труби, які залишаються порожніми, або заповненими частково (виходячи з міцності колони на зминання).

Тому в надпоршневій камері пристрою підтримується тиск, значно менший, ніж у свердловині. Потім корпус 1 піднімається нагору до сполучення бічних отворів 7 з підпоршневою зоною. Потік рідини із затрубного простору спрямовується під поршень-бойок 5, переміщаючи останній нагору. У кінцевій точці він завдає удар по ковадлу 3, що передається прихваченому інструменту через шток 2.

Для повторного нанесення удару пристрій повертається у вихідне положення. При цьому колона бурильних труб опускається. Уступ корпуса 1, контактуючи з поршнем-бойком 5, переміщає останній униз до перегородки 4. При цьому рідина з підпоршневої камери витісняється в свердловину через зворотний клапан 9, а бічні отвори 7 займають положення нижче перегородки 4, перекриваючи доступ розчину в підпоршневу порожнину. Тиск рідини в надпоршневому просторі й у свердловині стають такими ж, як і перед початком роботи. Потім цикл можна повторити.

У порівнянні з відомими ударними механізмами УЛП-89 має наступні переваги:

• високі енергетичні показники при малих витратах приводної потужності;
• завдяки виключенню участі колони в створенні й сприйнятті ударних навантажень, переданих на прихвачений снаряд, підвищена надійність пристрою й поліпшені умови експлуатації бурильних труб;
• за рахунок ефективної передачі енергії удару на прихвачений інструмент у скривлених свердловинах розширена область застосування УМЛП;
• виникаюче при роботі механізму різке локальне зниження тиску в зоні аварії дозволяє збільшити ймовірність ліквідації прихватів, обумовлених перепадом тиску між свердловиною й шаром;
• можливість регулювання енергетичних параметрів у широких межах;
• простота конструкції, монтажу, ремонту й безпека застосування.

Перераховані вище переваги свідчать про перспективність застосування УЛП-89 при усуненні прихватів у розвідувальних свердловинах діаметром 76-93 мм і більше. Однак цей пристрій не може експлуатуватися в свердловинах з низьким рівнем промивальної рідини.

4. Проектування пристрою для ліквідації прихватів бурового снаряду

На кафедрі технології і техніки буріння свердловин ДонНТУ за участю автора була розроблена нова схема пристрою для ліквідації прихватів бурового снаряда, на яку був отриманий патент на корисну модель.

Рисунок 4.1 — Схема устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда

Пристрій складається з корпусу 1 з радіальними отворами 2 і уступом 3 на внутрішній поверхні, концентрично встановленого порожнистого штока 4 з ковадлом 5 та поршня-бойка 6, розташованого в кільцевому просторі між корпусом 1 і штоком 4 нижче ковадла 5 на жорстко з’єднаній зі штоком 4 перегородці 7 зі зворотним клапаном 8. В нижній частині корпусу 1 виконаний перехідник 9, який має шліцьове з'єднання з нижньою частиною штока 4 для передачі обертального моменту від бурильних труб 10 на шток 4. Порожнина над поршнем-бойком 6 виконана у вигляді камери 11 низького тиску, ізольованої від простору колони бурильних труб 10 за допомогою поршня 12, встановленого вільно відносно корпусу 1 і жорстко з'єднаного з ковадлом 5. Камера 11 низького тиску заповнена повітрям або газом і в ній розміщений пружний елемент – пружина 13. Порожнина штока 4 і простір усередині колони бурильних труб 10 з’єднані каналом 14 в поршні 12.

Пристрій працює таким чином.

Він включається до складу бурового снаряда і встановлюється над колонковим набором (не показаний), який є найуразливішою частиною снаряда з погляду виникнення прихвата. При бурінні обертальний момент передається від колони бурильних труб 10 на шток 4 за рахунок перехідника 9, що має шліцьове з'єднання з нижньою частиною штока 4, а осьове навантаження передається на вибій за рахунок взаємодії верхньої частини корпусу 1 з поршнем 12. Промивальна рідина проходить в колонковий набір через канал 14 і порожнину штока 4.

Рисунок 6.2 — Робота пристрою для ліквідації прихватів бурового снаряда
Рисунок анімований. обсяг — 83,2 кб.; кількість кадрів — 5; час затримки — 0,5с.; кількість повторень — 7.

У разі виникнення прихвата колонкового набору (не показаний) корпус 1 піднімається за допомогою бурильних труб 10 до з'єднання радіальних отворів 2 з порожниною корпуса 1 між поршнем-бойком 6 і перегородкою 7. За рахунок того, що тиск під поршнем-бойком 6, який дорівнює гідростатичному тиску стовпа промивальної рідини в свердловині, значно перевищує тиск повітря в камері 11 низького тиску (рівний атмосферному), то рідина зі свердловини перетікає під поршень-бойок 6 і переміщає його вгору. Поршень-бойок 6 рухається вгору, стискаючи пружину 13 і повітря в камері 11 низького тиску, і наносить удар по ковадлу 5, який через шток 4 передається на прихвачений колонковий набір. При цьому кінцева швидкість поршня-бойка 6, а, отже, і енергія удару регулюються підбором жорсткості пружини 13 виходячи з міцності елементів пристрою і різьбових з'єднань.

Для повернення пристрою в первинне положення колона бурильних труб 10 подається вниз або під дією власної ваги, або під дією механізму подачі. При цьому корпус 1 рухається вниз і уступом 3, який контактує з поршнем-бойком 6, переміщає його вниз. При цьому рідина з-під поршня-бойка 6 витісняється в свердловину через зворотний клапан 8 і отвори 2, які на той момент займають положення нижче перегородки 7. При цьому пружина 13 повертається в початкове положення. Далі цикл роботи повторюється.

Застосування запропонованого пристрою дозволяє наносити удари при виникненні аварії в свердловині без проведення додаткових підготовчих операцій за рахунок постійного підтримання низького тиску в порожнині над поршнем-бойком.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Список джерел

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