| Главная страница ДонНТУ | Страница магистров ДонНТУ | Поисковая система ДонНТУ |
Сооружение скважины – трудоемкий инженерно-технологический процесс, нередко осложняющийся различного рода авариями, которые снижают производительность труда и повышают себестоимость буровых работ. На устранение аварии в год тратится от 5 до 10 % рабочего времени. Часто причинами списания скважин, не выполнивших геологического задания, также являются аварии и осложнения.
Один из самых распространенных, многообразных, сложных и трудоёмких типов аварии в разведочном бурении – прихваты. На их долю приходится до 60-80 % аварийного времени. Кроме того, обрывы, развертывания и падения инструмента часто сопровождаются прихватами или предшествуют им. С ростом глубин разведочного бурения и уменьшением диаметров скважин сложность и тяжесть прихватов, а также процесса их ликвидации непрерывно возрастают. Причём если на устранение одного обрыва затраты ежегодно сокращаются, то на ликвидацию одного прихвата – увеличиваются. Значительно повышаются затраты на вспомогательные операции, связанные с предупреждением и ликвидацией прихватов, а также предшествующих им осложнений. Большая часть металла в разведочном бурении расходуются на крепление скважин из-за низкой оборачиваемости обсадных труб вследствие их прихвата. Обсадные колонны длиной свыше 30 м, при закрытии скважин грузоподъемными приспособлениями не извлекаются.
Разработка и внедрение эффективных методов и технических средств предупреждения и ликвидации прихватов являются одной из актуальных проблем разведочного бурения.
Все создаваемые устройства должны вписываться в малые диаметры современных скважин, а при пересечении осложненных прихватоопасных зон – легко и быстро включаться в состав бурового снаряда. В связи с необходимостью дальнейшего технического перевооружения геологоразведочных организаций и оснащения их высокоэффективным оборудованием и аппаратурой механизмы для предупреждения и ликвидации прихватов тоже должны соответствовать лучшим мировым образцам и стандартам.
Поставленные задачи очень сложны. Их надо решать комплексно, включая исследование причин возникновения и разработку методов прогнозирования прихватов; создание новых способов и технических средств для профилактики и устранения их; четкую систематизацию, уточнение вида прихвата и способа его ликвидации; составление инструктивных документов, регламентирующих различные технологические процессы сооружения скважин.
Погружной гидровибратор с двумя клапанами, жестко закрепленными на общей тяге.
На рис. 1 изображена схема гидровибратора. Он спускается к месту прихвата. Включает в себя впускной 2 и выпускной 4 клапаны, посаженные на общей тяге 3, цилиндр 5, пружины 6 и 9, поршень 7, ограничительный стакан 8, верхнюю 10 и нижнюю 17 наковальни, боек 11, корпус 12, уплотнение 13, хвостовик 14. Промывочная жидкость по бурильной колонне поступает в нижнюю полость цилиндра и поднимает поршень. В конце хода боек нанесет удар по верхней наковальне. По мере подъема поршень сжимает пружину 6, при этом клапанный блок удерживается в исходном положении за счет давления жидкости на впускной клапан 2. В конце хода поршень ударяет по выпускному клапану 4 и толкает его вместе с впускным клапаном. Сила сжатой пружины 6 ускоряет переброску клапанного блока, поэтому утечки жидкости в момент перестановки клапанов минимальные. Впускной клапан 2 открывается, а выпускной 4 – закрывается. Благодаря этому, жидкость начинает поступать и в верхнюю полость цилиндра. Так как площадь поршня сверху больше, то боёк 11 опускается, нанося удар по нижней наковальне 17. В нижнем положении поршень сжимает пружину 9 и ударяет по ограничительному стакану 8. Клапанный блок в такой позиции удерживается давлением жидкости на выпускной клапан 4. За счет силы сжатой пружины 9 и соударения впускной клапан закрывается, а выпускной 4 – открывается. Цикл повторяется. Отверстие 15 в корпусе и канал 16 в нижней наковальне предотвращают образование под хвостовиком 14 гидравлической подушки и остановку вибратора. Основным недостатком данного гидроударника является малопроизводительность и низкий к.п.д. С целью повышения надежности в работе и к.п.д. в созданном гидровибраторе впускной и выпускной клапаны укреплены на одной подпружиненной тяге. Однако жесткое крепление клапанов относительно тяги и друг друга при неправильной регулировке зазоров или их нарушение часто приводит к обрыву тяги.
Гидровибратор со скользящей посадкой впускного клапана.
Гидровибратор (Рис.2) состоит из верхнего переходника 1, распределительной головки 3, на которую навинчивается цилиндр 5, впускного клапана 2, имеющего ходовую или скользящую посадку с выпускным клапаном 4, бойка 11, в верхнем сверлении которого размещены клапанная пружина 9 и хвостовик выпускного клапана, раскрепляемый с помощью вильчатого вкладыша 6 и накидной гайки 7, поршня 8, корпуса 12, верхней 10 и нижней 14 наковален, уплотнения 13. Он спускается в скважину на бурильной колонне, навинченной на верхний переходник 1, и с помощью отсоединительного переходника или ловильного инструмента соединяется с прихваченным снарядом. В исходной позиции впускной клапан 2 закрыт, а выпускной клапан 4 открыт. Рабочая жидкость, подаваемая по колонне бурильных труб к верхнему переходнику 1, поступает через канал В в нижнюю полость цилиндра 5 и начинает поднимать поршень 8 и боек 11. Жидкость, находящаяся над поршнем, вытесняется через каналы С и D в скважину. По мере подъема поршня бойка пружина 9 упирается в хвостовик клапана 4 и начинает сжиматься. В верхнем положении вкладыш 6 и гайка 7 сталкиваются с торцом клапана 4. Совокупное действие толчка и силы сжатой пружины производит переброску клапанов: впускной клапан 2 откроется, а выпускной 4 – закроется. Жидкость поступит и в верхнюю полость цилиндра 5. Поскольку площадь поршня сверху больше, то он вместе с бойком будет опускаться. В нижнем положении вкладыш 6 наносит удар по буртику выпускного клапана 4. За счёт скоростного напора и удара клапанная группа 2-4 перемещается вниз. Затем цикл работы повторяется
При ходе вверх боек соударяется с верхней наковальней 10, а при ходе вниз – с нижней наковальней 14, возбуждая колебания в прихваченном снаряде.
Полный ход бойка S и свободный S1 выбираются таким образом, чтобы боёк перемещался вместе с клапанным блоком не меньше половины хода клапанов Sкл, т. е. S1> 0.5Sкл. Это гарантирует устойчивый режим работы механизма, его высокую надёжность. Скользящая посадка впускного клапана 2 относительно выпускного 4 предотвращает обрывы хвостовиков и толкателей. Например, при преждевременной посадке впускного клапана 2 выпускной 4 будет сам перемещаться вниз.
Соответствующей регулировкой хода клапанов нетрудно добиться того, чтобы боек наносил удары только по верхней или только по нижней наковальне. Можно также осуществлять остановку бойка в обоих положениях за счет гидроторможения. Следовательно, механизм может работать в быстроударном, вибрационном и комбинированном режимах.
Каналы, просверленные в нижней наковальне, служат для устранения гидравлической подушки под хвостовиком бойка при полной герметизации забоя осевшим шламом или породой.
Гидровибратор спускается в скважину на бурильных трубах диаметром 50 или 63,5 мм и приводится в действие от стандартных буровых насосов НБ-32 или НБ-320/63 (100).
По простоте конструкции и изготовления гидровибратор не уступает известным гидроударникам дифференциального и одинарного действия.
Преимуществом данного устройства является полная согласованность клапанов благодаря блокировке (при преждевременной переброске не последует остановки механизма, а лишь укоротится ход бойка); наличие двух наковален облегчает процесс разгона бойка при ходе вниз и вверх, сохраняя энергию потока жидкости вследствие отскока бойка, что также способствует росту к.п.д; отсутствие резьбовых соединений в клапанной группе и скользящая посадка клапанов относительно друг друга значительно повышают ее моторесурс и упрощают конструкцию гидровибратора; варьируя расход промывочной жидкости, можно плавно изменять частоту ударов и поддерживать непрерывный резонансный режим ликвидации прихватов или вибробурения.
Погружной гидровибратор с клапанно-золотниковым распределением жидкости
Гидровибратор (Рис.3) состоит из переходников 1 и 2,впускного клапана 3, установленного на полой тяге 4 выхлопного золотника 5, уплотненного манжетой 6, корпуса-цилиндра 7, гайки 8, с помощью которой в бойке 12 крепится буртик тяги клапанно-золотникового блока, поршня 9, пружины 10, верхней 11 и нижней 13 наковален, манжеты 14 штока бойка. В исходной позиции боек 12 под действием собственного веса находится в крайнем нижнем положении, впускной клапан 3 закрыт, а выпускной золотник 5 – открыт. При подаче промывочной жидкости она по полой тяге 4 и каналу г в бойке 12 поступит под поршень 9 и будет поднимать его вместе с бойком. За счет давления жидкости на впускной клапан распределительный блок удерживается на месте, поэтому пружина 10 упрется в торец тяги и начнет сжиматься. Пройдя путь свободного хода и хода клапанов, гайка 8 столкнется с золотником 5 и переместит его на расстояние 0,5 Sкл. Дальнейшая переброска производится под действием энергии сжатой пружины и инерционных сил. При этом впускной клапан 3 откроется, а выхлопной золотник 5 перекроет отверстия б в корпусе-цилиндре 7. В момент перестановки клапанно-золотникового блока боек 12 нанесет удар по верхней наковальне 11. Поскольку промывочной жидкости через кольцевой зазор а и отверстия в открыт доступ в надпоршневую полость, то боек 12 начнет опускаться. Свободный ход бойка при движении вниз равен S-Sкл, после чего гайка 8 захватит буртик тяги и откроет выхлопной золотник 5. Впускной клапан закрывается потоком промывочной жидкости. Одновременно боек 12 соударяется с нижней наковальней 13.
Отличительной особенностью этого гидровибратора является отсутствие распределительной головки, функцию которой выполняют переходник 2 и корпус-цилиндр 7. Благодаря такому конструктивному решению удалось создать механизм диаметром 57 мм, не ослабляя прочности деталей. По этой схеме можно спроектировать вибратор диаметром 44 мм. Последние факторы очень важны в связи с широким внедрением алмазного бурения.
Для вибратора гидравлического диаметра 178 мм ранее была разработана и испытана конструктивная схема выпускного клапана и дифференциального поршня, которая более проста в изготовлении и надежна в эксплуатации. Поэтому быта произведена модернизация конструкции вибратора гидравлического ВГ-178.
В исходном положении боёк находится в крайне верхнем положении. При подаче рабочей жидкости боёк будет перемещаться вниз, в крайне нижнем положении боёк нанесёт удар по нижней наковальне. В результате этого произойдёт внедрение коронки в горную породу. При дальнейшей подаче жидкости поршень-боёк переместится вверх и в крайне верхнем положении нанесёт удар по верхней наковальне. Произойдёт заклинивание керна и дальнейший её отрыв. Далее цикл работы повторяется.
Приводим техническую характеристику ВГ-178:
диаметр скважины – 190,5 мм;
наружный диаметр вибратора гидравлического – 178 мм;
очистной агент – техническая вода;
энергия единичного удара – 365 Дж;
расход очистного агента – 0,01 м3/с;
частота удара – 32 Гц;
рабочий ход бойка – 0,0145 с;
свободный ход бойка – 0,0011 с;
длина – 2429 мм;
масса – 300 кг.
Все подвижные детали вибратора гидравлического (Рис.4) размещены в корпусе, который включает: нижний корпус , имеющий резьбовые соединения с нижней наковальней 14 и верхней наковальней 11, и корпус верхний, имеющий резьбовые соединения с верхней наковальней 11 и верхним переходником 1.
В корпусе свободно размещен боек 12, представляющий собой массивный ступенчатый вал, на концах которого закреплены поршни. Нижний поршень состоит из уплотнительных манжет с разделительными кольцами. Он является меньшей ступенью поршня вибратора гидравлического и устанавливается в цилиндре нижней наковальни 4. Верхний поршень 8 навинчивается на верхний конец бойка и представляет собой гайку, в кольцевых проточках которой установлены манжеты. В проточке верхней части бойка с возможностью осевого перемещения размещен выпускной клапан 6, опирающийся на пружину клапанную 10. Клапан 6 взаимодействует с бойком 12 при помощи пальца. Палец сделан из стали марки 40 ХН и имеет наружный диаметр 18 мм и длину 120 мм. Верхний поршень располагается в цилиндре 9, который соединен с клапанной коробкой 5.
Верхней частью клапанная коробка 5 с помощью разделительной муфты соединена с верхним переходником 1. В камеру клапанной коробки ввинчена пробка. Впускной клапан 3 взаимодействует с выпускным клапаном 6 через толкатель 4. В нижнем переходнике установлены пружина, обратный клапан и седло.
Работа ВГ-178 сводится к следующему: в исходном положении боек 12 под действием собственного веса находится в крайнем нижнем положении, при этом впускной клапан 3 закрыт, а выпускной клапан 6 открыт. Рабочая жидкость от бурового насоса по бурильным трубам поступает в вибратор, проходя по внутреннему каналу переходника 1 и по зазору между корпусом 2 и цилиндром 9 поступает под поршень 12, вызывая подъем бойка . За счет давления жидкости в камере клапанной коробки 5 впускной клапан 3 оказывается прижатым к седлу.
Жидкость из полости над верхним поршнем вытесняется по каналам в клапанной коробке 5, разделительной муфте и переходника 1 в скважину. При движении бойка 12 вверх сжимается пружина 10, поскольку клапан 6, контактирующий с толкателем 4 и впускным клапаном 3, остается неподвижным.
Пройдя расстояние 25 мм, гайка поршня наносит удар по выпускному клапану 6, который после этого закроется (перекроет осевые каналы в клапанной коробке 5), а впускной клапан 3 откроется, поскольку оба клапана связаны с толкателем 4.
В момент перестановки клапанов боек 12, пройдя дополнительное расстояние 3 мм, нанесет удар по верхней наковальне 11. Рабочая жидкость начнет поступать через центральный канал клапанной коробки 5 и боковые отверстия в клапане 6 в верхнюю полость цилиндра над поршнем 12. За счет давления жидкости в верхней части цилиндра механизма боек 12 устремится вниз, так как рабочая площадь поршня со стороны верхней полости цилиндра больше, чем со стороны нижней полости. Клапана 3 и 6 при этом будут сохранять свое верхнее положение (впускной клапан 3 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт), за счет прижимающей силы, обусловленной давлением жидкости в надпоршневой камере цилиндра на клапан 6.
Пройдя расстояние 25 мм, палец , перемещающийся совместно с поршнем и бойком, наносит удар по нижней поверхности проточки клапана 6 и обеспечивает его смещение вниз. Происходит перестановка клапанов, соответствующая исходному положению. Боек 12 на пути, равном 3 мм, продолжает движение вниз по инерции и в конечной точке наносит удар по нижней наковальне 14.
Далее цикл работы повторяется.
По сравнению с существующими гидроударниками вибратор гидравлический ВГ-178 имеет следующие преимущества. С целью повышения надежности работы за счет предохранения впускного клапана от скоростного напора промывочной жидкости переходник 1 и распределительное устройство снабжены горизонтальными перегородками, установленными на входе жидкости, при этом нагнетательные каналы в переходнике 1 смещены относительно оси механизма в сторону, противоположную выхлопным отверстиям. Для обеспечения автоматического запуска и остановки машины, а также включения ее в состав снаряда к нижней наковальне 14 крепится переходник 17, имеющий сквозной канал, в котором установлен подпружиненный пусковой клапан. Гарантируется полная синхронизация работы клапанов, повышается к.п.д. и снижается расход промывочной жидкости на привод механизма за счет малых утечек и высокого коэффициента использования жидкости (0,8-0,9). Достигнута простота конструкции, возможность изготовления в любой механической мастерской экспедиций и объединений, легкость запуска и эксплуатации. Включение вибратора гидравлического в состав бурового снаряда для оперативного его применения увеличивает вероятность и ускоряет процесс ликвидации даже самых сложных и тяжелых прихватов. Кроме того, сокращаются затраты времени на вспомогательные операции, так как отпадает необходимость в отсоединении свободной части колонны, извлечении ее на поверхность, спуске на ней вибратора в скважину и соединении с прихваченным колонковым набором. ВГ-178 также рекомендуется для очистки заплывших и обвалившихся скважин, а также для отбора донных проб и проходки рыхлых и скальных пород.
Если в скважине произошел негерметичный прихват, то возможна ситуация, при которой вибратор гидравлический будет работать неустойчиво. Поэтому к вибратору гидравлическому необходимо разработать дополнительную приставку, позволяющую принудительно блокировать переток жидкости на забой при ликвидации прихвата. ВГ-178 будет усовершенствоваться и изменения в конструкцию будут внесены.
После возникновения прихвата необходимо извлечь колонну бурильных труб на поверхность и затем в скважину опустить устройство для ликвидации прихвата. Однако время на ликвидацию прихвата можно сократить в несколько раз за счет того, что ВГ-178 позволяет осуществлять ликвидацию прихвата, не поднимая буровой инструмент.
Средняя стоимость одной смены составляет 0,50 тыс. грн. Время ликвидации одного прихвата составляет 3-12 смен. ВГ-178 позволяет сократить время на ликвидацию прихвата до 1-2 смен. В результате этого экономия денежных средств на ликвидацию одного прихвата составит 1,04-5,2 тыс. грн.
Включение вибратора гидравлического в состав бурового снаряда для оперативного его применения увеличило вероятность и ускорило процесс ликвидации даже самых сложных и тяжелых прихватов. Кроме того, произошло сокращение затрат времени на вспомогательные операции, так как отпала необходимость в отсоединении свободной части колонны, извлечении ее на поверхность, спуске на ней вибратора в скважину и соединении с прихваченным колонковым набором.
Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник / Под. ред. Н.И.Корнилова. – М.: Недра, 1990.-395 с.
Винниченко В.М., Гончаров А.Е., Максименко Н.Н. Предупреждение и ликвидация аварий и осложнений при бурении разведочных скважин. – М.: Недра, 1991. – 170 с.
Иогансен К.В. Спутник буровика: Справочник. – 3 –е изд. – М.: Недра, 1990. – 303 с.
Коломоец А.В. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. – М.: Недра, 1985. – 220 с.
Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. – М.: Недра, 1967. – 167 с.
Коломоец А.В., Ветров А.К. Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении. – М.: Недра, 1977.- 200 с.
http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2003/ggeo/scherbina/library/publ2.htm