CC BY
24в.Д. Буткин, д.т.н, А.в. Гилев, д.т.н, А.в. минеев, д.т.н, с.н. вершинский, аспирант, Сибирский Федеральный Университет
РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА
очистки СКВАЖИН
В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
Опыт глубокого бурения в отдельных районах США свидетельствует, что при переходе с промывки раствором к продувке сжатым воздухом (газом) проходка на долото увеличивается в 2-3 раза и более при одновременном возрастании механической скорости в 1,5-2 раза [1].
Однако вследствие малой плотности газа он слабо препятствует поступлению воды из пластов в скважину и при встрече даже незначительных водяных притоков выбуренная порода смешивается с водой, трудно поддается выходу из скважины, создавая опасность заклинивания (прихвата) става. В этих условиях необходимо увеличивать количество подаваемого сжатого воздуха в 2-3 раза по сравнению с сухим бурением. Поэтому для проходки мелких скважин успешно использовали воздуходувные машины с регулируемой производительностью [2]. В глубоком бурении проблема создания надежных покрытий стенок скважины может решаться добавлением в поток сжатого воздуха, подводимого к долоту, специальных добавок, основанных на последних достижениях нанотехнологии. При этом целесообразно использовать эффект винтового движения воздушно-шламового потока путем применения устройств пневмо-эжекционной очистки скважин (рис. 1), разработанных в Сибирском федеральном университете [3].
В предложенной системе очистки бу- рис ^ Буровой снаряд для бурения с пневмо-эжекционной очисткой сква-ровой став содержит гладкоствольные жины: а - общий вид бурового става со шнековым пневмо-эжекционным штанги 1, из которых концевая штанга эвакуатором (ШПЭ); б - разделение потока сжатого воздуха в механизме
соединена со шнековым пневмо-эжек- управления ШПЭ
Холдинг «Мобильные Буровые Системы» -лидер российского нефтегазового машиностроения
Мобильные Буровые Системы
Подразделения холдинга: ОАО «Кунгурский машиностроительный завод»
ОАО «Ишимбайский машиностроительный завод» ООО «Инжиниринговая компания «Кунгурский машзавод»
шшишшшшшяяш^^^ш
• Высокая мобильность
• Исключительная надёжность
• Безопасность эксплуатации
Холдинг выпускает агрегаты для освоения, капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, ведения буровых работ ротором и забойными двигателями, агрегаты и установки для бурения роторным способом
структурно-поисковых скважин на нефть, газ, скважин сельско-хозяйственного и промышленного водоснабжения, водопонижения, гидрогеологии грузоподъемностью на крюке от 20 до 125 тонн (БА15, УРБЗАЗ, АР32/40М, АР50, АР60, УПА 60А(60х80), А60/80, А60/80М1, УПА-80, АРБ100, МБУ125)
Также компания производит турбобуры, турбобуры-отклонители в габарите от 105 до 240 мм; винтовые забойные двигатели, универсальные винтовые забойные двигатели
в габарите от 76 до 240 мм
Mobile Drilling Systems
Россия, 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 18, стр.1, офис 507
Тел.:+ 7 (495) 101-19-23,248-69-21 Факс+ 7 (495) 248-69-07 E-mail: info^mbs-group.ru: www.mbs-group.ru
ционным эвакуатором 2. Гладкоствольные штанги 1 со стенкой скважины 3 образуют затрубную зону I-II, а шнеко-вый пневмо-эжекционный эвакуатор 2 (ШПЭ) со стенкой скважины 3 - шне-ковую зону I-III. На ШПЭ установлены верхний конус 4 и нижний конус 5, которые со стенками скважины 3 образуют соответственно конфузорный (в области сечения II-II) и диффузорный участки (в области сечения III-III). В нижний конус 5 ШПЭ установлено долото 6, которое со скважиной Зобразу-ет призабойную зону III-IV. Гладкоствольная штанга 1 содержит центральный канал 7 и муфту 8, в которой ШПЭ закреплен с помощью ниппеля 9 (рис. 1, а). В верхнем конусе 4ШПЭ установлен механизм управления, содержащий подвижный клапан 11 и зафиксированный от вращения регулирующей гайкой 12 посредством выступов 13 (рис. 1, г).
ШПЭ содержит спираль 14, витки которой расположены под острым углом к горизонтальной плоскости. Подвижный клапан 10 имеет конусную часть 15 (рис. 1, в), цилиндрическую часть 16, проходные каналы 17 (рис. 1, д) и днище 18, находящееся непосредственно над центральным каналом 19 ШПЭ (рис. 1, е).
Сжатый воздух с расходом Fк от компрессора бурового станка подается через центральный канал 7 гладкоствольной штанги 1 в верхний конус 4 ШПЭ (рис.1, а), где распределяется на два потока с расходами F, и F2 с помощью подвижного клапана 10 (рис.1, б). Один поток сжатого воздуха с расходом F1 , отражаясь от конусной части 15 подвижного клапана 10, поступает через эжекционные каналы 11 (рис.1, е, положение 1) и насадки (на рис. не показаны) в затрубную зону I-II
Рис. 1. Механизм регулирования параметров сжатого воздуха при пневмо-эжекционной очистке скважины: в - подвижный клапан механизма управления; г - регулирующая гайка механизма управления; д - расположение проходных каналов подвижного клапана и эжекционных каналов ШПЭ, е -схема работы механизма управления (положение 1 - эжекционные каналы открыты; положение 2 - эжекционные каналы закрыты)
(рис.1). Другой поток сжатого воздуха с расходом F2 через проходные каналы 17 клапана 10 (рис.1, е, положение 2) поступает в центральный канал 19 ШПЭ и далее через продувочные каналы долота 6 на забой скважины 3 (сечение 1У-1У, рис.1, а).
В призабойной зоне ПЫУ скважины сжатый воздух с расходом F2 поднимает буровой шлам и подает его на первый виток ШПЭ. Образующийся в призабой-
ной зоне ПЫУ воздушно-шламовый поток перемещается вверх по межвит-ковому пространству спирали 14 (в шнековой зоне скважины), установленной на ШПЭ. В шнековой зоне скважины эвакуация бурового шлама, таким образом, происходит комбинированно: за счет потока сжатого воздуха, создающего силу давления, действующую на частицы бурового шлама, и за счет сил трения этих частиц о витки спирали 14
J
^fspec 7-0427 05 03 NC50
6Ve*31/4
H i ш U
ЗАМКИ ДЛЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ВТУЛКИ и ШТОКА МУФТЫ НКТ, ОТТГ, ОТТМ ПЕРЕВОДНИКИ ПОРШНИ
г. Орск, ул. Крупской, I, тел.: (3537) 29 00 69, факс: 29 00 60, www.ormash.ru, e-mail: export@ormash.ru
и стенку скважины 3. Поток сжатого воздуха с расходом F1 при выходе с большой скоростью из эжекционных каналов 11 и насадок ШПЭ поступает в конфузорный участок, образуемый верхним конусом 4 и стенкой скважины 3, где создается эжекционное сечение II-II с давлением сжатого воздуха, значения которого ниже давления воздушно-шламового потока, поступающего из шнековой зоны II-III скважины 3. В эжекционное сечение II-II устремляется воздушно-шламовый поток, скорость которого при этом увеличивается, растет порозность шламового слоя и снижается концентрация твердой фазы (шлама). Далее, в затрубной зоне I-II до устья скважины, эвакуация бурового шлама осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха с расходом Fк = Fl + F2. Для обеспечения бесперебойного шла-
моудаления площадь сечения проходных каналов 17 подвижного клапана 10 принята равной площади сечений эжекционных каналов 11, выполненных в верхнем конусе 4 ШПЭ, а их сумма равна площади сечения продувочного канала долота 6. При этом обеспечивается равенство расходов потоков сжатого воздуха, разделяемых в верхнем конусе 4 ШПЭ, т.е. F1 = F2 - 0,5 F^ При F1< F2 может произойти зашла-мовывание затрубной зоны I-II скважины 3. При F1> F2 из-за падения скорости воздуха может произойти за-шламовывание призабойной зоны III-IV или шнековой зоны II-III скважины 3. Кроме того, в затрубной зоне II-III возможно возникновение противодавления, при котором поток сжатого воздуха с расходом F1 может устремиться вниз и приостановить эвакуацию бурового шлама.
Равенство расходов разделенных по-
токов сжатого воздуха, обеспечиваемое с помощью равенства площадей сечений проходных каналов 17 подвижного клапана 10, создает устойчивый режим эвакуации бурового шлама из скважины. Подвижный клапан 10 при этом займет нижнее положение в ШПЭ (рис.1, е, положение 1). В случае нарушения устойчивого режима эвакуации бурового шлама из скважины (например, при увеличении скорости проходки скважины во встретившихся прослойках пород с небольшим коэффициентом крепости повысится концентрация бурового шлама) вследствие повышения стесненности движения расход сжатого воздуха на выходе из долота 6 снизится. В результате этого в центральном канале 19 ШПЭ, а следовательно, в области Ж (рис.1, б) давление сжатого воздуха возрастет на величину ДР по сравнению с давлением в области Е и,
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ БУРЕНИЕ \\ 27
действуя на днище 18 подвижного клапана 10, поднимет его вверх (рис.1, е, положение 2).
Таким образом, включится в работу механизм управления: подвижный клапан 10 своей цилиндрической частью 16 перекроет часть площади сечений эжекционных каналов 11. При этом ширина эжекционных каналов 11 уменьшится на величину Д[| = [11 - [12, что приведет к снижению расхода сжатого воздуха на величину ДР = Р1 - Р11. Вместе с этим при подъеме подвижного клапана 10 увеличится ширина проходных каналов 17 на величину ДL = L2 - L1 В этом случае произойдет перераспределение расходов Р1 и Р2 потоков сжатого воздуха. В зону забоя долота 6 через центральный канал 19 ШПЭ поступит поток сжатого воздуха с расходом Р2' = Р2 + ДР, который увеличит скорость воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах и стабилизирует режим эвакуации бурового шлама, снизив уровень стесненности движения за счет увеличения порозно-сти шламового слоя и уменьшения концентрации твердой фазы в воздушно-шламовом потоке. Давление в наддо-лотной части и центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 понизится, подвижный клапан 10 займет крайнее нижнее положение в верхнем конусе 4, открыв эжекционные каналы 11. Это приведет к выравниванию расходов Р1 и Р2 потоков сжатого воздуха и их давлений в областях Е и Ж и обеспечит устойчивый режим эвакуации бурового шлама.
Для эффективного регулирования параметров сжатого воздуха подвижный клапан 10 в верхнем конусе 4 ШПЭ устанавливают таким образом, чтобы его проходные каналы 17 не совпадали с эжекционными каналами 11. Это до-
стигается посредством регулирующей гайки 12, выступы 13 которой входят в проходные каналы 17 подвижного клапана 10. При резьбовом соединении регулирующей гайки 12 в верхнем конусе 4 между проходными каналами 17 и эжекционными каналами 11 устанавливают угол а (рис.1, д). Резьбовое соединение регулирующей гайки 12 с верхним конусом 4 позволяет регулировать ход подвижного клапана 10, что дает возможность обеспечить равенство площадей сечений проходных каналов 17 и эжекционных каналов 11. Параметры ШПЭ, такие как угол подъема спирали, шаг спирали, диаметр шнека и диаметр вала, устанавливают из условия обеспечения максимальной скорости потока сжатого воздуха в шнековой зоне скважины. При этом значения силы давления воздушного потока, действующие на частицы бурового шлама, будут также иметь максимальные значения, если угол между векторами абсолютной и переносной скоростями движения этих частиц будет равен 45°.
Применение подвижного клапана позволяет осуществлять регулирование параметров сжатого воздуха в диапазоне, который устанавливается зависимостью между весом подвижного клапана и величиной перепада давления в центральных каналах ШПЭ и гладкоствольной штанги, равной G = ДP*Sк, (1)
где G - вес подвижного клапана, Н; ДР - заданный перепад давления сжатого воздуха в центральных каналах ШПЭ и гладкоствольной штанги при зашламо-вывании забоя, Па; Sк - площадь сечения днища подвижного клапана, м2. Рациональные параметры ШПЭ отвечают условиям, при которых скорости сжатого воздуха в призабойной и шне-
ковой зонах скважины находятся в зависимости, установленной профессором А.В. Гилевым М
Vш = ^ 4 М а2
М
1 'П1
(2)
где у,р, V,, - скорости сжатого воздуха соответственно в призабойной и шне-ковой зонах скважины, м/с; Мпр, МТ -силы давления сжатого воздуха, действующие на частицы бурового шлама соответственно в призабойной и шне-ковой зонах скважины, Н; а - аэродинамический коэффициент, равный отношению площадей сечений приза-бойной и шнековой зон скважины, м2, а = ^рАш.
Это позволяет достичь максимальных значений скорости воздушного потока в шнековой зоне скважины при установленных значениях заданных режимов и условий процесса бурения скважины.
Упрочненный вариант конструкции ШПЭ-244,5 прошел успешные испытания при бурении скважины станком СБШ-250 МНА в известняках прочностью на сжатие в среднем 100 МПа и на участках с обводненными глинисто-гравийными отлажениями.
ЛИТЕРАТУРА
Маковей Н. Гидравлика бурение. - М. : Недра, 1986 - 536 с. Буткин В.Д., Воропаев Г.Д., Кулочек Н.И. Исследование процесса пневматической очистки скважин при шарошечном бурении - Техника и технология буровзрывных работ: сб. научных трудов - Киев: НИИОГР, 1975, вып 3.-154с.
Буткин В.Д. Опыт и развитие технологии бурения резанием на карьерах Буткин В.Д., Гилев А.В. и [др]. - М.: Макс пресс, 2005 -313с.
ИНТЕГРА-БУРЕНИЕ
консолидированная компания на рынке буровых услуг
г
нвестируя значительные средства щ в разработку новых технологий и ■ закупку оборудования, мы стараемся Ш максимально отвечать потребностям I заказчиков в области бурения и сервисных [ услуг. Для решения самых разнообразных задач на месторождении мы опираемся на наш многолетний технологический опыт, привлекаем квалифицированный персонал и используем мощный буровой флот.
Спектр выполняемых нами услуг включает:
Бурение скважин:
9 бурение эксплуатационных и разведочных скважин глубиной до 6500 м., в том числе и автономных;
* бурение горизонтальных скважин:
9 бурение боковых горизонтальных стволов;
* выполнение операций, сопутствующих бурению (вышкостроение, цементаж и др.).
Ремонт скважин:
• капитальный ремонт скважин;
• текущий ремонт скважин.
Интегрированное управление проектами;
• руководство буровыми работами;
* оптимизация процесса бурения.
Наши филиалы расположены в Нягани, Нижневартовске, Иркутске и Волгограде.
%
ИНТЕГРА
426039 Удмуртская Республика г. Ижевск, ул. Новосмирновская, 37 т. (3412) 48-33-91, факс 48-36-47 e-mail: reception@integra-drilling.ru URL: www.integradrilling.ru
