CC BY
16
УДК 622.24.053.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-474-482
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА БУРОВОГО РАСТВОРА В ОБРАТНОМ КЛАПАНЕ
БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
Е.Б. Думлер, Э.Я. Зинатуллина, Т.Г. Макарова, Ф.З. Булюкова
Предотвращение газонефтеводопроявлений в процессе бурения свкажин является актуальной задачей. В данной статье предложена конструкция усовершенствованного обратного клапана бурильной колонны, позволяющая повысить эффективность процесса закачки бурового раствора в условиях. Проведено исследование движения бурового раствора в полости обратного клапана.
Ключевые слова: бурильная колонна, обратный клапан, буровой раствор, газо-нефтеводопроявления.
Нефтегазовая отрасль России представляет высокомеханизированное производство. Оборудование, используемое для бурения скважин, добычи, сбора и подготовки нефти и газа, в значительной мере определяет научно-технический прогресс в нефтегазовой отрасли, широкое внедрение прогрессивных форм организации труда, эффективность капитальных вложений и качество выполняемых работ.
Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин - это целый комплекс технологических устройств, инструментов и приспособлений, обеспечивающий сам процесс бурения и промывку скважины с извлечением из неё остатков разбуренных пород. Центральное звено любого бурового комплекса - это буровая установка. Буровая установка для бурения нефтяных скважин монтируется непосредственно на точке бурения и обеспечивает весь процесс обустройства скважин. К набору бурового инструмента относятся бурильные трубы, переводники, породоразрушающий инструмент, забойные двигатели, из которых формируется бурильная колонна [1].
Бурильная колонна играет чрезвычайно важную роль в осуществлении процесса бурения, так как является связующим звеном между долотом, находящимся на забое скважины, и буровым оборудованием, расположенным на поверхности. Через бурильную колонну подводится энергия к долоту, осуществляется подача бурового раствора, создается осевая нагрузка на долото. Основные элементы бурильной колонны-ведущие трубы, бурильные трубы, бурильные замки, центраторы бурильной колонны, забойные двигатели, обратные клапаны.
Сегодня, одной из самых серьезных задач в нефтяной отрасли, является сохранение контроля за скважиной [2,3]. Причины, объясняющие необходимость направления материальных и интеллектуальных затрат на улучшение практики и технологий предупреждения и ликвидации газонефтеводопроявления (ГНВП) [4-6]:
- защита жизни людей. В условиях открытого фонтанирования жизнь членов бригады бурения, текущий и капитальный ремонт скважин, подвергается огромному риску и никакие деньги не могут компенсировать потерю жизни рабочего или инвалидность.
- предотвращение потерь полезных ископаемых. Запасы нефти и природного газа на земле ограничены, любая их потеря невосполнима.
- защита окружающей среды. Существующий в природе баланс достаточно легко нарушить и любое такое нарушение может иметь значительные по продолжительности и масштабам последствия.
- защита материальных ресурсов и оборудования. Цена продуктов топливно-энергетической отрасли во многом зависит от материальных затрат на развитие месторождений. Сюда входят и затраты на бурение, капитальный, подземный ремонт и обслуживание скважин.
- предотвращение потерь скважин. Строительство, завершение и эксплуатация нефтяных и газовых скважин требует значительных материальных вложений. Если на скважине происходит выброс, под угрозой полной потери оказываются миллионы затраченных денег и весь сложный комплекс оборудования скважины.
Обратные клапаны предназначены для предотвращения ГНВП и шламовыва-ния забойного двигателя. Зашламовывание приводит к преждевременному износу рабочей пары винтового забойного двигателя или его полному выходу из строя. Что ведет за собой к незапланированным спускоподъемным операциям и затратам.
Недостатками конструкций обратного клапан являются:
- интенсивный абразивный и эрозионный износ (размыв) корпуса клапана, сокращающий рабочий ресурс устройства,
- шламование мелкой твердой фракцией, содержащейся в потоке гидроабразивной среды, что приводит к заклиниванию клапана в открытом, закрытом или полуоткрытом положении,
- загроможденность канала клапана ребрами штока, создающими сопротивление потоку перемещаемой по нему жидкости;
- расположение пружины запорного узла в гидравлическом тракте, создающее дополнительное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, пружина подвергается абразивному и эрозионному износу и, следовательно, к ее быстрому разрушению при эксплуатации;
- усложнения изготовления клапана, требующего использования специальной пресс-формы для изготовления упругих элементов, а также их частой замены, обусловленной ее абразивным износом буровым раствором.
Эти недостатки являются причиной преждевременного выходы из строя обратного клапана и дополнительных затрат на изготовление сложных деталей и оснастки. Неработоспособный обратный клапан приводит к убыткам, путем шламования забойного двигателя, и риску газонефтеводопроявления, что ставит под угрозу жизнь и здоровье персонала, работающих на буровой установке.
Для повышения технико-экономических показателей процесса бурения, увеличения срока эксплуатации и безотказной работы предлагается использовать конструкцию обратного клапана с повышенной абразивной стойкостью.
На рис. 1 представлена конструкция используемого обратного клапана бурильной колонны [7].
1 — корпус; 2 — переводник; 3 — седло; 4 — плунжер; 5 — пробка; 6 — пружина
475
При эксплуатации данного клапана возникают следующие проблемы:
- интенсивный абразивный и эрозионный износ (размыв) корпуса клапана и запорного органа потоком гидроабразивной рабочей жидкости на выходе из плунжера, сокращающий рабочий ресурс устройства;
- абразивный и эрозионный износ (размыв) контактных поверхностей седла 3 и пробки 5 потоком бурового раствора, что приводит к снижению ресурса и надежности клапана;
- образование застойной зоны в пружинной полости, приводящей к шламова-нию мелкой твердой фракцией, что приводит к заклиниванию клапана в открытом или полуоткрытом положении, прекращению эксплуатации и подъему бурильной колонны из скважины.
Решением этих недостатков является увеличение ресурса и надежности обратного клапана для бурильной колонны за счет создания эффекта эжектирования мелкой твердой фракции гидроабразивной среды из пружинной полости в центральный канал плунжера.
Эффект эжектирования в усовершенствованном обратном клапане объясняется тем, что запорный орган клапана имеет входную часть центрального канала (рис. 2) плунжера 2 по потоку гидроабразивной среды 1 выполнена в виде примыкающих друг к другу каналов: конфузорного 4, цилиндрического 5 и диффузорного 6, при этом в трактовой стенке диффузорного канала 6 выполнены радиальные циркуляционные отверстия 7 с возможностью сообщения центрального канала плунжера с кольцевой (тупиковой) полостью между переводником , плунжером и седлом с размещенной в полости пружиной, обеспечивает увеличении ресурса и надежности обратного клапана за счет предотвращения шламования пружинной полости мелкой твердой фракцией потока гидроабразивной среды путем создания статического перепада давлений между пружинной и трактовой полостями, и эжектирования мелкой твердой фракции гидроабразивной среды из пружинной полости в центральный канал плунжера, далее к забою скважины [8].
Рис. 2. Запорный орган клапана КОБ 172-З-133:1 — поток жидкости; 2 — плунжер; 3 — пробка; 4 — конфузорный канал плунжера; 5 — цилиндрический канал плунжера;
6 — диффузорный канал плунжера; 7 — радиальные отверстия; 8 — окна плунжера для выхода потока жидкости; 9 — контактная уплотнительная поверхность
пробки
Конструкция плунжера, снижает активность кавитационных процессов потока гидроабразивной среды за счет создания равномерного поля скоростей (рис. 3) и давлений на входе в диффузорный канал плунжера, предотвращения срыва потока гидроабразивной среды и уменьшения гидравлических потерь, что уменьшает абразивный и эрозионный износ (размыв) радиальных циркуляционных отверстий в местах выхода гидроабразивной среды из пружинной полости в центральный канал плунжера. Центральный канал плунжера не имеет преграждающие потоку элементы, которые создают сопротивление и турбулентные завихрения, усиливающие гидроабразивное воздействие на стенки корпуса клапана.
Рис. 3. Поле скоростей в клапане КОБ 172-З-133:1 — корпус; 2 — переводник;
3 — седло;4 — плунжер; 5 — пробка; 6 - пружина
Новая конструкция запорного органа клапана позволяет получить: низкую интенсивность абразивного износа рабочей поверхности 9 пробки 3 клапана, за счет меньшего угла атаки потока а=45°, в отличие от прежней конструкции с углом атаки потока жидкости а=60°; меньшее значение завихренности потока в области контактных поверхностей, за счет более равномерного поля давления и меньшего угла атаки потока жидкости.
Был проведен расчет гидроабразивной стойкости элементов усовершенствованного обратного клапана. Расчеты произведены в программном комплексе Solidworks Flow Simulation [9].
При гидроабразивном изнашивании носителем абразивных частиц является жидкость. Поэтому интенсивность гидроабразивного изнашивания зависит от факторов, управляющих формированием процесса изнашивания (скорость, масса частиц, угол атаки и др.) с учетом разупрочняющего действия жидкой среды на поверхностный слой детали.
Силовая схема взаимодействия частиц и среды с поверхностью детали такая же, как и при газоабразивном изнашивании, т.е. решающую роль в этом процессе играет угол атаки [10]. Так же, как и при газоабразивном изнашивании на поверхности изнашиваемой детали образуются своеобразные волны износа, а в некоторых случаях даже более явно выраженные. Направление волн соответствует направлению движения потока, в том числе и его завихрений.
Интенсивность гидроабразивного изнашивания материалов и деталей машин может быть выражена зависимостью:
Ih =ф,р, d,a, Ha, HM, m,aa ,aM ,O,T, t, A), (1)
где v - линейная скорость потока абразива; р - плотность абразивной частицы; d -диаметральный размер абразивной частицы; а - угол атаки; Ha - твердость абразива; Hm - твердость материала детали; m - масса частицы; era - прочность абразива; ом - прочность материала детали; O - окатанность абразивной частицы; T - температура на поверхности детали; t - время испытаний; A - агрессивность среды.
Из выше перечисленных факторов угол атаки (а) и линейная скорость потока абразива (v) являются характеристиками частиц бурового раствора (рис. 4), которые можно контролировать, применяя различные конструкционные решения обратного клапана бурильной колонны.
Твердость материала детали (Ha) и прочность материала детали (ом) являются прочностными характеристиками деталей обратного клапана, зависящие от используемых материалов. Остальные факторы, влияющие на гидроабаразивный износ, невозможно контролировать при проектировании обратного клапан бурильной колонны.
Рис. 4. Угол атаки абразивных частиц о поверхность: 1 — абразив;
2 — изнашиваемая поверхность; v - линейная скорость абразива; а — угол атаки
В качестве расчета на гидроабразивную стойкость обратного клапана КОБ 1723-133 проведем гидродинамический расчет (симуляцию) потока жидкости, сравним показатели потока с данными из гидродинамического расчета обратного клапана прежней конструкции.
Для проведения симуляции в Solid works Flow определим внешние условия. Найдем гидростатическое давление на забое скважины:
Рз =PgH, (2)
где р - плотность бурового раствора, для расчетов примем р=1,16 г/см3; g = 9,81 мс-2; H - глубина скважины, для буровой установки БУ 3200/200 ЭУК-2М2 условная глубина бурения составляет 3200 м; Рз = 1,16 х 103 х 9,81 х 3200 = 36,41 х 106 Па.
Расчетная схема потока жидкости показана на рис. 5- гидростатическое давление Рз= 36,41 МПа. Входные параметры для расчета - расход жидкости на входе в клапан соответствует рабочему расходу бурового раствора для двигателя ВЗД 172,
Q6.p.=0,035 м3/с.
Объемный расход на е*оде
о ив Ufa's
Дзвпение ЗДДОДОЯ среды
ЗМИМРа
Рис. 5. Расчетная схема потока жидкости в клапане КОБ 172-3-133
Ту же схему и граничные условия применим для обратного клапана прежней конструкции (рис. 6)
- гидростатическое давление окружающей среды Рз= 36,41 МПа;
- расход жидкости на входе в клапан соответствует рабочему расходу бурового раствора для двигателя ВЗД 172, Qб.р.=0,035 м3/с.
Рис. 6. Расчетная схема потока в клапане прежней конструкции
478
В расчете используется упрощённая трехмерная модель клапана с соблюдением исходных размеров и материалов.
Сравнительный анализ траекторий движения потока в обратных клапанах бурильной колонны.
Из рис. 7 видно, угол атаки потока (частиц) в области окон плунжера составляют 60°, что приводит к увеличению интенсивности абразивного изнашивания. Так-как интенсивность абразивного изнашивания в значительной степени обусловлена направлением скорости абразивных частиц, которое характеризуется углом атаки а.
При нормальном ударе, когда вектор скорости потока направлен перпендикулярно к поверхности детали, износостойкость материала определяется сопротивлением его микрообъемов усталостному, деформационному и хрупкому разрушению.
При малых углах атаки абразивных частиц их ударный импульс уменьшается, и повреждение материала происходит вследствие среза и отрыва частиц с образованием коротких царапин. При углах атаки а=5-15° поток жидкости (частиц) свободно обтекает выступы микронеровностей, динамические воздействия, воспринимаемые поверхностью, незначительны, поэтому интенсивность изнашивания невелика.
Из рис. 8 видно, угол атаки потока (частиц) в области окон плунжера составляют 45°, что уменьшает интенсивность абразивного изнашивания, следовательно, к увеличению срока службы клапана.
■ ни*
I им»
И ЛЛ1 Кб»
■ »№ I 1»Ш
Рис. 8. Траектории потока в клапане КОБ 172-3-133
479
Немаловажным фактором, повышающим гидроабразивное изнашивание, является завихренность потока. Для анализа ниже приведены рис. 9, 10 сечения клапанов с отображением завихренности потока.
Как видно из рис. 9 в ответственной контактной поверхности клапана присутствует область высокой завихренности, которая приводит к абразивному и кавитацион-ному изнашиванию ответственных уплотнительных поверхностей клапана.
Высокая завихренность потока в этой области обусловлена большим углом атаки 60° потока жидкости.
Рис. 9. Завихренность потока жидкости в прежней конструкции клапана
■ 16ЭТ47
■ 14М1Г
11» И
10«} 17
■ •11 и
7П
Я7Т1
■ »со«
т 1*4»
В Ш
Рис. 10. Завихренность потока жидкости в клапане КОБ 172-З-133
Проведенные исследования показали, что использование предлагаемого клапанного узла позволит значительно снизить риск его заклинивания, поскольку усовершенствованная конструкция предотвращает осаждение шлама в области пружины, а также снижает интенсивность гидроабразивного износа и возможность кавитационого разрушения контактных поверхностей клапана. Влияние этих процессов уменьшается за счет обеспечения равномерного перепада давления и низкой завихренностью потока.
В результате была доказана эффективность применения усовершенствованного клапанного узла КОБ 172-З-133 в нижней части бурильной колонны при эксплуатации в условиях повышенного газонефтеводопроявления.
480
Список литературы
1. Ясов В.Г., Мыслюк М.А. Осложнения в бурении: Справочное пособие. Москва: Недра, 1991. 333 с.
2. Сугаков И.А., Дунаев С.И., Сулейманов К.Ш., Курносых И.А. Оперативная оценка состояния скважины, как способ обнаружения и принятия решения о необходимости ликвидации ГНВП // Студенческий. Новосибирск, 2019. № 3-3 (47). С. 67-69.
3. Дунаев С.И., Сулейманов К.Ш., Курносых И.А., Сугаков И.А. Современное состояние проблемы предупреждения ГНВП // Студенческий. Новосибирск, 2019. № 33 (47). С. 61-63.
4. Нурутдинов А.А., Ирниченко О.А., Тухватуллин М.Ф. Предупреждение проявления ГНВП на скважинах // Наукоемкие технологии в решении проблем нефтегазового комплекса в год экологии в России. материалы VII Международной научной конференции. отв. редактор К.Ш. Ямалетдинова. 2017. С. 37-42.
5. Кафтин Д.Ю. Газонефтеводопроявления: признаки и причины возникновения ГНВП. Трибуна ученого. 2020. № 12. С. 157-162.
6. Нугаев Р.Я., Байтурина С.Р., Гимадисламов С.И. Предотвращение газоне-фтеводопроявлений скважин при их эксплуатации и ремонте // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2008. №2 (72). С.18-23.
7. Патент 2232243 РФ. Обратный клапан / В.Н. Андоскин, К.А. Кобелев, В.И. Тимофеев. Опубл. 10.07.2004. Бюл. №19.
8. ООО ПСК «УралНефтеБур» - винтовые забойные двигатели. [Электронный ресурс] URL: https://www.pskunb.ru/products/klapan-obratnyi-burovoi (дата обращения: 26.05.2022).
9. Алямовский А.А. Инженерные расчеты и SolidWorks Simulation. Москва: ДМК Пресс, 2015. 464 с.
10. Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть I. Расчет и конструирование оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов. М.: ФГУП «Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа, 2006. 736 с.
Думлер Елена Борисовна, канд. техн. наук, доцент, dumler08@mail.ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Зинатуллина Эльмира Якуповна, канд. техн. наук, доцент, mongp2017@mail.ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Макарова Татьяна Георгиевна, старший преподаватель, dtana@,mail.ru, Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Булюкова Флюра Зиннатовна, канд. техн. наук, доцент, flura2003@mail.ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
DRILLING MUD FLOW STUDY IN THE DRILL STRING CHECK VALVE
E.B. Dumler, E.Ya. Zinatullina, T.G. Makarova, F.Z. Bulyukova
Prevention of gas, oil and water manifestations in the process of drilling wells is an urgent task. This article proposes the design of an improved drill string check valve, which makes it possible to increase the efficiency of the drilling fluid injection process under conditions. A study was made of the movement of the drilling fluid in the cavity of the check valve.
Key words: drill string, check valve, drilling mud, gas-oil-water shows.
481
Dumler Elena Borisovna, candidate of technical sciences, docent, dum-ler08@mail.ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Zinatullina Elmira Yakupovna, candidate of technical sciences, docent, mongp2017@mail.ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Makarova Tatyana Georgievna, senior lecturer, dtana@mail.ru, Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Petroleum Institute,
Bulyukova Flyura Zinnatovna, candidate of technical sciences, docent, mongp2017@mail.ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University
УДК 621.9: 663
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-482-487
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ И АНАЛИЗ МАРОК МАКУЛАТУРЫ
А.С. Комаров
Представлены и изучены свойства макулатуры, проведен анализы марок макулатуры в области вторичной сырья, ознакомление с анализом макулатурной массы и проведены графики, описывающие зависимостей.
Ключевые слова: макулатура, вторичное сырье, зависимости.
Макулатура - отходы производства, пригодные для переработки используются в производстве бумаги в виде волокнистого сырья.
В нынешнем производстве из макулатуры производят практически все бумажные продукты, кроме бумаг где высоки требования к однородности и чистоте состава (медицинские, фильтрационные и т.д.). К сожалению, в России эту технология мало распространена.
Скачек технологий, связанных с бумагой и картоном назначается общим развитием науки: создание и применением новых материалов и улучшением уже существующих.
Рассмотрим примеры сырья из вторичной макулатуры: плоский гофрированный картон, если такой картон создают из 100% макулатуры, то его называют тест-лайнером, если из целлюлозы, то крафт-лайнером (рис. 1, а.); флютинг, бумага, предназначенная для изготовления картона (рис.1, б.); санитарно-гигиеническая бумага и изделия из неё (рис. 1, в.); коробочный картон - используют в изготовлении малогабо-ритной тары (рис. 1, г.); бумага для печати - используют в печати газет, книжек, журналов (зачастую для удешевления бумаги) (рис. 1, д.); гильзы (втулки) - применяются для использования намотки бумаги и картона (рис. 1, е.).
Все это связанно с повышением производительности и качеством сырья. При улучшении всех этих технологий выполняются различные испытания и исследования [1].
Для повторного производства бумаги используют, макулатуру с ее помощью происходит замена свежего волокна, хотя это не единственные способ утилизации макулатуры. Если посмотреть на терминологию, то вторичное сырье используется всеми производителями для переработки брака. Переработка макулатуры позволяет значительно уменьшить стоимость бумаги, так как значительно снижает такие показатели как: расход воды и снижении электроэнергии. Еще один аспект - это экология, так как происходит сбор и повторное использование.
482
