CC BY
33
--© Л.Б. Хузина, М.С. Габдрахимов,
2006
УДК 622.24
Л. Б. Хузина, М.С. Габдрахимов
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВИБРАЦИОННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Семинар № 16
дной из основных задач, которую ставит осуществляемая в России научно-техническая и инновационная политика в области развития горнодобывающих отраслей промышленности, является разработка и реализация программы создания конкурентно-способной отечественной горнодобывающей техники.
Для решения этой задачи при проходке взрывных скважин в породах средней и высокой крепости на карьерах горнодобывающей промышленности России возможно внедрение вибрационного бурения и соответствующего ему оборудования. На кафедре НПМО Филиала Уфимского государственного нефтяного техни-ческого университета в г. Октябрьском разрабатываются и проходят лабораторные испытания новые конструкции вибраторов, вибродолот, наддолотных конструкций. Ниже приводятся результаты лабораторных и промысловых испытаний вибратора с перекидным клапаном.
Вибратор состоит из корпуса, внутри которого помещена калиброванная втулка. Кривошип внутри втулки установлен при помощи оси. Перекидной клапан соединен посредством пальца с кривошипом. Для формирования струи жидкости предусмотрен штуцер, который фиксируется пружиной. Уплотнение служит для герметизации зазора между корпусом и втулкой. Устройство устанавливается в компоновку бурильного инструмента с помощью замковых резьб корпуса.
Вибратор работает следующим образом. В нормальном состоянии клапан за-
крыт. При восстановлении циркуляции под действием давления промывочной жидкости шарнирное соединение кривошипа и перекидного клапана отжимается от стенки корпуса, и клапан переходит в вертикальное положение. Дальнейшее движение до закрытия проходного отверстия втулки осуществляется за счет сил инерции и гидравлических сил. При закрытии проходного отверстия корпуса происходит гидравлический удар. Под действием давления промывочной жидкости шарнирное соединение кривошипа и клапана снова отжимается от стенки корпуса, и цикл повторяется. Так происходит периодическое перекрывание проходного отверстия вибратора перекидным клапаном, при этом возбуждаются продольные колебания вибратора за счет гидроударников.
Данная конструкция вибратора прошла лабораторные испытания.
Лабораторный стенд для исследования динамики работы вибратора, оснащенного перекидным клапаном состоит из системы циркуляции жидкости и измерительной части. Замкнутая система циркуляции жидкости состоит из насоса 9 М Гр, обеспечивающего непрерывную подачу жидкости, рабочей и мерной емкости, соединительных труб с задвижками и манометров.
Измерительная часть стенда состоит из аппаратуры, необходимой для регистрации параметров давления жидкости при работе вибратора, виброанализатора, определяющего среднеквадратичные значения амплитуды и частоты колебаний
вибратора, а также мерной емкости для измерения расхода жидкости. Схема лабораторного стенда приводится на рис. 1.
При работе вибратора пульсации давления и дискретные замеры через большие промежутки времени не могут характеризовать процесс, необходима значительная частота опроса величины давления в течение определенного периода времени. В связи с этим применялась следующая схема измерительной части. Датчики давления, типа ПДМТ, подсоединяемые непосредственно к вибратору, преобразовывают измеряемую величину в электрический сигнал.
Полученный сигнал проходит усиление, затем через коммутатор сигналов подается на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Усилители, коммутатор и
рп:!пнк
(ни)
160
140
Рис. 1. Принципиальная схема стенда для исследования бурильного инструмента: 1 - насос 9 МГР; 2 - вентиль; 3 - манометр; 4 -гидравлический вибратор; 5 - бак; 6
- датчики давления; 7 - усилитель; 8
- коммутатор; 9 - АЦП; 10 - ЭВМ
АЦП собираются на одной плате и устанавливаются в компьютер.
В программе сопряжения данные, полученные в результате замеров, записываются в отдельный файл. Это создает определенные удобства при обработке информации известными пакетами программ типа "8ТАТОКАРИ1С8". Время преобразования аналоговых сигналов АЦП - 300 микросекунд.
Для исследования работы вибратора использовался также виброанализатор. Виброанализатор позволяет получать частоту работы устройства, его виброскорость, виброперемещение, спектры соответствующих характеристик. Изме-рения виброхарактеристик проводятся следующим образом: щуп от виброанализатора устанавливается в средней части вибратора, сигналы от щупа, соответствующим образом обработанные, высвечиваются на экране виброанализатора. Характерный спектр частот вибратора с перекидным клапаном приводится на рис. 2.
В результате лабораторных испытаний вибратора установлено:
1
||
I
л/ V ■т __\.-ЛлА,Л
50 Гц
• с увеличением расхода жидкости от 0,0032 м3/с до 0,0100 м3/с амплитуда пульсации жидкости растет по квадратичной зависимости от 0,25
Рис. 2. Спектр частот гидравлического вибратора с длиной кривошипа 0,115 м и длиной клапана 0,185 м при расходе жидкости Q = 0,0057м3/с
Сравнительные данные скорости бурения и проходки на долото при бурении вибратором
Номер сква- Интервал, м Н, м Стратиграфия Тип долота V, м/ч V,, м/ч
жины (оцен.) (опытн.)
331 опытная 1680-1729 49 муллинский старооскольский 142,9 ЕНР 53 АК - 1,32
1097 оцен. 1638-1668 30 кыновский пашийский 142,9 ЕНР 53 АК 0,75 -
1098 оцен. 1632-1660 28 кыновский пашийский 142,9 ЕНР 53 АК 0,5 -
Ср. оцен. - 29.5 - - 0,63 -
452 опытная 1155-1178 23 угленосный турнейский 142,9 ЕНР 53 АК - 0,91
888"С" 1129-1167 38 бобриковск. 146Т3 0,644 -
оцен. турнейский
1085"С" 1147-1153 6 турнейский 139,7 ЕНР 0,85 -
оцен. 53 АК
684"С" 1132-1154 22 турнейский 146 ТЦВ 0,66 -
оцен.
Ср. оцен. - 22 - - 0,71 -
МПа до 3,00 МПа,
• частота увеличивается линейному закону от 5,8Гц до 10,0 Гц.
Для оценки работоспособности вибратора в условиях горизонтального бурения, влияния его на механическую скорость бурения и на проходку долота проводились промысловые испытания при бурении горизонтальных интервалов скважин долотом малого диаметра. Бурение вторых стволов обычно осуществляется роторным способом с одним или двумя буровыми насосами.
Исследование влияния вибратора на механическую скорость бурения и проходку долота проводилось на Туймазин-ской площади при бурении скважин №452 и №331. В процессе бурения скважин контролировались следующие параметры: расход промывочной жидкости, давление на стояке, нагрузка на долото, механическая скорость бурения, амплитуда колебания давления, проходка на доло-то.Нагрузка на долото составляла 30-50 кН, давление на стояке - 7 МПа и 10 МПа для скв.№452 и скв.№331 соответственно; бурение осуществлялось глинистым рас-
твором с расходом 0,010-0,013 м3/с. Бурение проводилось ротором с частотой вращения 72 об/мин. Компоновка бурильного инструмента: долото ЕНР 142,9 КС, вибратор, УБТ-108 длиной 8 м, СБТ-73. Контроль за работой вибратора осуществлялся с помощью гидравлического канала. Геологический разрез был сложен из твердых и крепких пород. Ниже в таблице приводится сопоставление результатов бурения до использования вибратора и с его применением. Для оценки результатов опытного бурения были выбраны соседние скважины, пробуренные ротором на той же Туймазинской площади в равноценных геолого-технических и технологических условиях. Сравнительные данные по оценочным скважинам также представлены в таблице.
Для измерения амплитуды давления промывочной жидкости использовалась измерительная схема, состоящая из датчика давления, аналогово-цифрового преобразователя и персонального компьютера 1ВМ-486. Измерения проводились на скважине №331. Для промысловых исследований был выбран датчик давления,
рассчитанный на предельную нагрузку 400-105 Па, предварительно протариро-ванный. Датчик давления был установлен на манифольдной линии насоса. Получены значения амплитуды давления промывочной жидкости.
Были проведены измерения давления промывочной жидкости при различных условиях: до начала бурения скважины, когда инструмент был поднят от забоя на 2-3 метра, в начале бурения, и при устойчивом режиме бурения скважины.
Устройство применялось при бурении скважин ООО «Башнефть», АО «Татнефть», Азнакаевского УБР, №11434, №23387, №22232, №28645, №23132, №23390. В результате испытания гидравлического вибратора пробурено за 27 часов 89 метров горных пород за 1 долбление, в среднем механическая скорость составила 3,3 м/ч. Для оценки эффективности применения вибратора производился сравнительный анализ результатов опытного бурения и соседних скважин той же
площади и такого же геологического разреза, в тех же интервалах бурения, что и скважина 11434. По оценочным скважинам №23131 и №23127 на проходку 154 м и 65 м затрачено три и два долбления, соответственно. Время механического бурения: 75,1 ч; 23,7 ч, проходка на долото: 51,33 м; 32,5 м ,средняя механическая скорость: 2,05 м/ч; 2,74 м/ч, соответственно. В результате анализа видно, что при бурении скважины №11434 с применением вибратора в интервале 1755-1844 м получено превышение механической скорости роторного бурения на 37 %, проходки на долото на 100 %.
Таким образом, вибратор с перекидным клапаном с частотой 5,8-10 Гц, прошедший лабораторные и промысловые испытания, внедряется на промыслах Татарии и Башкирии, но необходимо разрабатывать новые конструкции вибраторов с более высокими частотными характеристиками.
— Коротко об авторах -
Хузина Л.Б., ГабдрахимовМ.С. - филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьском.
