ОТЕБАЕВ МАЙЛЫБАЙ

УДК 622.233.53: 622.276 (043)                                                               На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОТЕБАЕВ МАЙЛЫБАЙ

 

 

 

 

Разработка технических средств гидроударного бурения

для восстановления эксплуатационных нефтяных скважин

 

 

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева

 

 

Научный руководитель                                  кандидат технических наук

                                                                       Касенов А.К.

 

Официальные оппоненты:                             доктор технических наук,

                                                                       Шамсутдинов М. М.,

 

                                                                       кандидат технических наук,

                                                                       Соловьев А.И.

                                                                      

Ведущая организация:                                   Институт горного дела

                                                                       им. Д.А. Кунаева.

                                                                      

 

 

 

 

Защита состоится 12 марта 2010 г. в 16 00 ч. на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 при Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: Республика Казахстан, 050013, г. Алматы,
ул. Сатпаева, 22, корпус ГМК, ауд. 252, факс 8 (727) 257-70-57

 

 

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева

 

 

 

 

Автореферат разослан 10 февраля 2010 г.

 

 

 

 

 

 


Ученый секретарь

диссертационного совета                                    Ж.Д. Байгурин

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность работы. Нефтедобывающая промышленность, является одной из отраслей, определяющих экономическое развитие Казахстана.

Увеличение дебита существующих нефтяных скважин и освоение новых нефтяных месторождений является важнейшей задачей народного хозяйства. Эта задача должна решаться не только организационно-директивными методами, но, в первую очередь, научными работами, прикладная часть которых может и должна осуществляться в производственных условиях.

Одной из существенных проблем в деле увеличения дебита нефтяных и газовых скважин, в том числе, в условиях месторождения Узень, является восстановление скважин, в которых образовались пробки, сужающие их проходное сечение вплоть до полного перекрытия. Помимо пробок осадочного происхождения, возникают также пробки техногенного происхождения, которые зачастую сопровождаются авариями оборудования и требуют проведения аварийных работ.

Наиболее характерным видом аварий являются прихваты насосно-компрессорных труб (НКТ) и инструмента. Во время промывки песчаных пробок прихваты происходят в основном при нарушениях технологии промывки скважин, прекращения подачи жидкости, отказе в работе насоса и т.д. При заливке скважины цементным раствором прихваты могут быть вызваны нарушением технологии цементирования, дефектами (трещинами, дырами) в колонне заливочных труб. При этом цементный раствор, заполняя скважину, циркулирует через дефектные трубы, вследствие чего участки заливочных труб значительной длины оказываются в затвердевших песчаноцементных пробках. Такие аварии очень трудно ликвидировать, т.к. сложно извлечь зацементированную часть колонны труб и приходится срезать их фрезерованием. В этом случае могло бы помочь обуривание прихваченных труб кольцевыми коронками, типа коронок для разведочного бурения, освобождение места для надежного захвата труб труболовками и извлечения аварийного участка труб. Во всех этих случаях при ликвидации пробок, при проведении аварийных мероприятий, используются буровые работы в значительных объемах.

Повышение эффективности дебита нефтяных скважин путем ликвидации пробок различного происхождения сдерживается отсутствием теоретических обоснований конструктивных решений технических средств при ликвидации, пробок и проведении аварийных мероприятий на нефтяных эксплуатационных скважинах. В этой связи решение научно- технической, проблемы обоснования конструктивных решений технических средств при восстановлении производительности эксплуатационных нефтяных скважин, является актуальной задачей и представляет как практический, так и научный интерес.

Целью работы является обоснование параметров и разработка конструкций технических средств гидроударного бурения, позволяющих повысить эффективность эксплуатационных нефтяных скважин.

Основная идея заключается в использовании средств гидроударного бурения – погружных гидроударных машин (гидроударников) и породоразрушающего инструмента (коронок для бурения с отбором керна и долот для бурения сплошным забоем) при ремонтно-восстановительных работах (РВР) в нефтяных скважинах.

Научные положения, выносимые на защиту:

    экспериментально-аналитическая исследования процесса разрушения пород гидроударником двойного действия, позволяет устанавливать число коронок, затрачиваемых на выполнение заданного объема бурения с учетом их поломок и износа за каждый рейс при бурении эксплуатационных нефтяных скважин;

    объем разрушаемой породы гидроударником резко увеличивается при уменьшении расстояния между следами от ударами до величин затрачивающих зоны трещин от предыдущих ударов за счет слияния лунки от двух последующих ударов;

    эффективность новой конструкции комплекса технических средств гидроударного бурения, достигается изменением характера бокового износа породоразрушающего инструмента и регулированием частоты энергии удара гидроударника.

Научная новизна заключается в следующем:

1.       Установлена зависимость параметров разрушения пород от расстояния между следами ударов резца, энергии ударов и дополнительной плоскости обнажения на забое, что позволяет увеличить эксплуатационную прочность и износостойкость буровых коронок, определить рациональные значения расстояний между ударами.

2.       Разработана методика расчета резцов коронок на прочность, позволяющая учитывать влияние бокового (конусного) износа на общий ресурс коронки и снижение скорости бурения.

3.       Исследована новая конструкция двухклапанного гидроударника, в котором дроссель заменен клапаном, создающим гидроудары в нижней камере машины, позволяющим сократить время обратного хода ударника, увеличить энергию, частоту, скорость ударов и уменьшить расстояние между следами от ударов на забое (подтверждено патентом на изобретение).

4.       Обоснована и разработана принципиально новая конструкция составного ступенчатого долота, позволяющая снизить износ коронок, повысить ресурс работы коронки, а ступенчатое расположение центральной части долота снижает сопротивление породы разрушению и увеличивает эффективность разрушения (подтверждено патентом на изобретение).

Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, основывается на стендовых и производственных экспериментах, подтверждается теоретическими зависимостями, полученными с использованием новых компьютерных программ, хорошей сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, положительными результатами испытаний в производственных условиях разработанных средств бурения.

Практическая значимость работы заключается в:

    обоснований целесообразности использования гидроударного бурения для ремонтно-восстановительных работ нефтяных скважин;

    разработке конструкции двухклапанного гидроударника двойного действия;

– создании составного долота для разбуривания пробок и фрезерования прихватов при ремонтно-восстановительных работах;

    обосновании параметров и разработке конструкции коронки для обуривания прихваченных деталей при ремонтно-восстановительных работах.

Реализация результатов исследований.

Разработанные технические средства гидроударного бурения и рекомендации по их эксплуатации, включающие изложенные в диссертации зависимости в области отработки коронок, приняты к внедрению.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: ΙV Международной научно-практической конференции «Образование и наука 21 века – 2008» (г. София, Болгария, 2008); Научном симпозиуме «Неделя горняка 2009 г.» (г. Москва, Россия); V Международной конференции «Инновационные разработки и совершенствование технологий в горно-металлургическом производстве» (г. Усть-Каменогорск, 2009). Международном форуме «Наука и инженерное образование без границ» (г. Алматы, 2009).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи, 4 доклада на международных конференциях, получено 2 инновационных патента Республики Казахстан на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 114 страницах и состоит из введения, 4-х разделов, заключения и списка использованных источников, включающих 83 наименования. Диссертация иллюстрирована 39 рисунками, 11 таблицами и 6 приложениями.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология и техника бурения скважин» Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева.

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

В первом разделе приведен обзор современного состояния РВР и отмечено, что эффективность этого вида работ существенно зависит от производительности бурения.

Выполнен анализ способов бурения, использование которых может обеспечить повышение эффективности РВР. При этом рассмотрены способы бурения, применимые в условиях, близких к условиям проведения РВР нефтяных скважин по глубине бурения и характеристике пород. Сделан вывод о целесообразности использования в этих условиях ударно-вращательного бурения гидроударниками (гидроударного бурения).

Большой вклад в развитие теории и технических средств гидроударного бурения внесли Л.Э. Граф, Д.И. Коган, А.Т. Киселев, А.Б. Кушелевич, В.А. Монеткин, В.Б. Соколинский, Е.В. Александров, В.Г. Ясов, В.Ф.Сирик, Г.И. Неудачин, А.В. Коломоец, М.Ж.Музапаров, Б.Е. Скобочкин, Т.И. Чекаева, А.С. Латыпов и др.

Сравнительные испытания описанных машин показали, что на глубине свыше 500 м наилучшие результаты обеспечивает гидроударник Р-3МГ, который и был принят за базовый при проведении работы. Это машина двойного действия, т.е. в ней рабочий и холостой ход бойка осуществляется энергией прокачиваемой жидкости, благодаря чему в конструкции отсутствуют пружины, характерные для гидроударников других типов и часто выходящие из строя.

Приведены также описания породоразрушающего инструмента – кольцевых коронок, из которых два типа – коронки К19М-4 (четырехрезцовые) и ГПИ-2 (шестирезцовые) использовались при проведении работы.

С целью разработки технических средств гидроударного бурения путем взаимосвязанных исследований факторов, влияющих как на работу машины, так и на работу инструмента определены следующие задачи:

    изучение рабочего цикла гидроударника для выявления возможности его совершенствования;

    изучение механизма разрушения породы на забое скважины на базе теоретических стендовых экспериментов;

    экспериментальная проверка существующей теории о видах поломок резцов коронок и причинах их вызывающих, с целью определения возможности повышения эксплуатационной прочности коронок;

    экспериментальная проверка закономерностей износа коронок для условий РВР и инженерный расчет сил, воздействующих на резцы коронки в результате ее износа, для определения критического состояния коронки;

    теоретическое обоснование параметров новой конструкции гидроударной машины;

    разработка новых конструкций породоразрушающего инструмента для РВР на основе полученных результатов исследований.

Второй раздел содержит обзор результатов исследований по направлениям намеченных задач работы, теоретические и методические разработки для их экспериментального подтверждения.

Сделан анализ рабочего цикла дроссельного гидроударника двойного действия. Установлена возможность его совершенствования, в частности, за счет сокращения периода обратного хода бойка.

Выполнен обзор результатов исследований механизма взаимодействия бурового инструмента с породой на забое скважины. Установлено, что эффективность разрушения породы может быть исследована на базе изучения работы индентора, имитирующего долотчатый инструмент. Для гидроударного бурения таким инструментом является резец кольцевой коронки. Благодаря малой длине резцов появилась возможность упростить схему разрушения породы и предложить ее рассматривание в виде, изображенном на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Расчетная схема лунки от единичного удара

 

Центральная зона 1 лунки может быть представлена как призма АВМNDC, треугольная в поперечном сечении. Концевые зоны 2 – АВМК и 3 – CDNL имеют вид половин конусов.

Общий объем лунки будет равен:

 

              [см3],               (1)

 

где  – объем центральной зоны;

 угол скола в центральной зоне;

h – глубина лунки;

,  – объемы боковых зон;

углы скола в боковых зонах.

При проведении нами стендовых экспериментов было установлено, что когда расстояния между ударами () достигают некоторого критического значения, на лунку от каждого последующего удара оказывает влияние лунка от предыдущего удара. Расчетная схема этого случая приведена на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Расчетная схема лунки от двух последующих ударов при

достижении критического расстояния между ударами

Здесь объем лунки предлагается определять по формуле:

 

                     [см3],                      (2)

 

где  глубина лунки в центральной зоне;

 глубина лунки в боковых зонах.

При нанесении ударов вблизи стенки скважины и при наличии на забое дополнительной поверхности обнажения величины  и  будут изменяться и их фиксация дает возможность определить влияние указанных факторов на эффективность разрушения забоя.

Существенной проблемой является большое число поломок резцов коронок при их эксплуатации. Установлено, что одной из основных причин поломок, т.е. низкой эксплуатационной прочности коронок являются особенности их износа. Схема износа коронки приведена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Элементы износа

 

Можно выделить следующие элементы износа: торцевой износ лезвия «d», характеризующийся средней шириной площадки затупления лезвия, угловой износ, характеризующийся радиусом наружного закругления «R» и внутреннего «r» углов резца, примыкающих к лезвию и боковой (конусный) износ.

В результате изнашивания наружной боковой грани резца на ней образуется площадка, расположенная под углом к вертикали (первоначальному расположению грани). Таким образом, боковая грань приобретает конусность, что объясняет второе название бокового износа. Этот элемент износа целесообразно характеризовать двумя величинами, которые могут быть непосредственно замерены на коронке: уменьшением диаметра коронки в зоне перехода от углового износа «R» к конусному «g» и высотой изношенной части резца «h».

Изучение износостойкости коронок показало, что именно конусный износ, вызывающий появление реактивных сил (рисунок 4), является основной причиной поломок резцов после нескольких рейсов коронки. Отсюда важность более детального его изучения.

 

 

Рисунок 4 – Силы, действующие на коронки изношенный резец при ударе

 

В разделе приведено также описание стенда для изучения механизма разрушения породы индентором и сведения о методиках проведения стендовых и

производственных экспериментов. При этом для изучения работы коронок при опытном бурении разработан метод определения числа коронок, затраченных на выполнение заданного объема бурения, учитывающий их поломки и процент сработки за каждый рейс.

В третьем разделе описаны экспериментальные исследования, выполненные на стенде и в производственных условиях, приведены их результаты.

На стенде измерялся объем разрушенной индентором породы при изменении расстояния между лунками от ударов.

С уменьшением расстояния между ударами приходили к тому, что при определенном расстоянии лунки от ударов сливались в одну выемку. Такое расстояние назвали критическим.

По данным замеров лунки рассчитывался ее объем по формулам (1) или (2), определялась удельная энергоемкость разрушения породы , где Wуд – энергия удара, приходящаяся на индентор, Vл – объем лунки от удара, и относительный коэффициент эффективности разрушения породы, возрастающий с уменьшением удельной энергоемкости:

 

                                       ,

 

где q0 – удельная энергоемкость одного из опытов серии, принятая за единицу;

qnудельная энергоемкость исследуемого опыта.

Для расчета на базе предложенных формул была составлена программа, блок-схема которой приведена в диссертации.

Было выполнено шесть серий экспериментов, включающих 104 опыта.

В 1 и 2-й сериях исследовалась эффективность разрушения породы на ровной поверхности образца при различном расстоянии между ударами в зависимости от энергии удара в цементно-песчаном образце, что соответствует VII категории крепости по ЕНВ. В 3 и 4-й сериях такие же исследования проводились в гранитном образце IХ категории крепости. В 5 серии исследовалась эффективность разрушения породы при размещении индентора в контакте с вертикальной стенкой. В 6 серии исследовалась эффективность разрушения породы на забое, имеющем дополнительную плоскость обнажения, что имеет место при ступенчатом забое. Результаты экспериментов отражены на графиках (рисунок 5).

 

а)

б)

 

Рисунок 5 – Изменение коэффициента эффективности

разрушения породы при уменьшении расстояний между ударами:

а) по результатам 1–4 серий; б) по результатам 5–6 серий

 

Из полученных данных видно, что с уменьшением расстояния между ударами эффективность разрушения породы меняется неоднозначно.

При расстояниях, которые обеспечивают независимость двух последующих следов от ударов друг от друга, объем лунок получается в каждой серии экспериментов примерно одинаковым и коэффициенты эффективности nq также имеют близкие значения. Но когда расстояние между ударами достигает величин, затрагивающих зоны трещин от предыдущих ударов, лунки от двух последующих ударов сливаются в общую выемку и объем разрушенной породы резко увеличивается.

Это критическое расстояние для всех серий экспериментов составляло мм. При таком значении лунки всех наносимых ударов объединялись с лунками от предыдущих ударов и коэффициент эффективности достигал значения 1,8–1,9. Учитывая погрешности в проведении экспериментов, можно сказать, что критическим расстоянием «» следует считать значения от 15 до 13 мм.

Следует отметить, что существующие гидроударники, в том числе и Р-3МГ, не обеспечивают таких значений.

Из рисунка 5, б видно также, что при расстояниях между ударами, превышающих критическое значение, формирование вертикальной стенки снижает эффективность разрушения породы на забое, т.е. эффективность углубки скважины, не более, чем на 15%, а наличие дополнительной плоскости обнажения забоя в зоне работы породоразрушающего наконечника повышает эффективность более, чем на 50%.

При достижении же критического значения расстояний в обоих случаях эффективность резко возрастает – до 80–90% и обеспечивает близкие результаты. При этом критические значения расстояний и в этих случаях, как и в предыдущих сериях экспериментов, составляет 15–13 мм.

Производственные эксперименты имели целью изучение путей повышения эксплуатационной прочности коронок и их износостойкости. Для этого после каждого рейса фиксировался износ коронок, фотографировались поломки резцов.

По полученным данным составлена классификация поломок резцов и установлены закономерности роста элементов конусного износа с проходкой.

Из схемы на рисунке 4 видно, что площадки износа при ударе передают на породу забоя усилия, направленные нормально к их плоскостям – силы «Р». Реакция, воздействующая на резец, будет направлена так же, но прямо противоположно. По отношению к грани резца реакция может быть разложена на изгибающую силу N и силу, направленную противоположно силе удара и уменьшающую ее Pn.

Основываясь на приведенной схеме и данных по изменению конусного износа в породах различной крепости можно рассчитать прочность резцов при воздействии сил, возникающих при бурении.

Основываясь на приведенной схеме действия сил была составлена расчетная схема, разработана методика расчета сил N, вызывающих изгиб резца, напряжений, создаваемых ими, и сил P, противодействующих внедрению резца в породу, а полученные данные по износу резцов позволили рассчитать величину этих сил и напряжений на разных этапах отработки коронки.

Составлена программа расчета, блок-схема которой приведена в диссертации.

Результаты расчета позволили определить критерии отбраковки коронок, не подвергшихся поломкам. Для предупреждения поломок следует отбраковывать коронку по достижении параметра «» конусного износа величины  мм. Таким же критерием, является значение h = 12 мм для коронок К19М-4 и ГПИ-2.

Помимо опасности поломок, конусный износ существенно снижает эффективность разрушения породы лезвием резца. Расчеты показали, что у всех типов коронок уже после второго рейса рост силы противодействия удару резко увеличивается и в результате работы площадок конусного и углового износа, она достигает значительных величин – до 50% от силы удара. Это не может не отразиться на скорости бурения.

На основе изучения износостойкости коронок, составлена их эксплуатационная характеристика и разработаны правила отработки.

В четвертом разделе описаны конструкции нового гидроударника и породоразрушающего инструмента, разработанных на базе проведенных исследований. Приведены результаты опытных испытаний новых разработок.

Как было показано, к особенностям коронок гидроударного бурения относится, в первую очередь, их боковой (конусный) износ. Этот вид износа определяет ресурс коронки, механическую скорость бурения и может явиться причиной поломок резцов.

Изучение закономерностей этого вида износа коронок позволило разработать ряд мер по предупреждению негативных последствий его возникновения. Эти меры относятся к технологии бурения и заключаются, прежде всего, в правильном выборе типа коронки, соответствующего условиям бурения, и своевременной ее отбраковке, исключающей поломку резцов на забое. Но эти меры не позволяют уменьшить интенсивность конусного износа. Решить эту задачу, не изменяя конструкции коронок, на наш взгляд, невозможно. Поэтому была разработана конструкция составного долота (рисунок 6, а), часть которого может использоваться самостоятельно, как кольцевая коронка.

Долото включает переходник на буровую машину, содержащий соединительные резьбы для наковальни буровой машины и кольцевой коронки, а также поперечную перегородку с окнами, для прохода жидкости, и центральный трубчатый стержень с резьбой, для присоединения центральной ступенчатой части долота, имеющей опережающий продольный выступ с долотчатым резцом, формирующим первую ступень долота, и радиальные выступы с резцами второй ступени. Центральная часть долота имеет осевой промывочный канал и выходные наклонные промывочные каналы. Кольцевая коронка состоит из короночного кольца с резьбой для соединения с переходником и рабочей частью, армированной твердосплавными резцами. Чередуясь с резцами, в рабочей части короночного кольца радиально установлены цилиндрические твердосплавные штыри с полусферической головкой, закрепленные в радиальных отверстиях так, что головка выступает за пределы короночного кольца на величину, соответствующую выпуску резцов. В зависимости от свойств породы долото может включать дополнительные ступени, выполненные на его центральной части.

Резцы отстающих ступеней долота работают на участках забоя, которые имеют дополнительные поверхности обнажения в виде стенок центрального отверстия, что облегчает разрушение породы.

 

а) составное долото

б) гидроударник

 

Рисунок 6 – Новые средства гидроударного бурения

 

Но наиболее трудоемкой зоной забоя является его периферийный участок, на котором происходит формирование стенки скважины. Здесь же происходит и наиболее интенсивный износ резцов. Для снижения интенсивности износа, особенно бокового износа, в коронке размещены штыри, которые воздействуют на стенку скважины своими сферическими головками, что повышает концентрацию усилий, действующих на породу, и снижает интенсивность бокового износа резцов вследствие уменьшения образующихся площадок износа. Коронка может использоваться и самостоятельно – для бурения кольцевым забоем.

Стендовые исследования показали, что для повышения эффективности бурения, в частности, увеличения механической скорости проходки и снижения износа коронки необходимо уменьшить расстояния между последовательными ударами резцов. Для этого нужно повысить частоту ударов машины. Это достигнуто в новом разработанном гидроударнике, схема которого приведена на рисунке 6, б.

Гидроударник имеет корпус, в верхней части которого расположен переходник на колонну бурильных труб и клапанная коробка, содержащая центральную полость, соединенную с затрубным пространством скважины отверстием, и продольные отверстия для прохода жидкости в верхнюю камеру высокого давления. В этой камере расположен верхний клапан, шток которого входит в полость клапанной коробки, а также ограничительное кольцо для ограничения хода клапана.

Клапан имеет дифференциальное исполнение, т.е. его торцовые площади, на которые воздействует давление в верхней камере, различны за счет того, что часть верхней площади, т.е. площадь штока, находится в полости низкого давления.

В верхнюю камеру выходит и шток ударника, имеющего центральный осевой канал, открытый с верхнего торца штока, а внизу переходящий в радиальные каналы. Ударник тоже имеет дифференциальное исполнение: его нижний торец имеет сечение, большее, чем площадь сечения штока.

Верхняя часть ударника расположена в камере низкого давления, разгруженной от давления в затрубное пространство через отверстие в корпусе. Нижняя часть ударника выходит в нижнюю камеру высокого давления, куда выходит также верхняя часть трубчатого клапана с ограничительным буртом и находится ограничительное кольцо. Нижний торец клапана опирается о наковальню, соединенную с корпусом гидроударника через шлицевой переходник, передающий наковальне вращение относительно продольной оси через корпус и разъединяющий при ударе массу наковальни с породоразрушающим инструментом от массы гидроударника и колонны бурильных труб, соединенных с ним.

При подаче в гидроударник, находящийся на забое скважины, жидкости, прокачиваемой через него под давлением сверху вниз и выходящей в затрубное пространство скважины, в камерах высокого давления гидроударника, в которые поступает вода, в связи с тем, что дальнейший ее проход перекрыт, создается повышенное давление. В затрубном пространстве и соединенных с ним камерах гидроударника, давление понижено.

До подачи жидкости ударник и клапаны под собственным весом находятся в нижнем положении: верхний клапан – на ограничительном кольце, нижний клапан – на наковальне, а ударник – на нижнем клапане. Верхний клапан, благодаря наличию ограничительного кольца, не сомкнут со штоком ударника и, при подаче жидкости, она из камеры проходит в осевой канал ударника, а из него по боковым отверстиям – в нижнюю камеру. Т.к. отверстие в нижнем клапане перекрыто нижним торцом ударника, в нижней камере происходит гидроудар, который резко повышает давление в соединенных между собой камерах высокого давления. Благодаря дифференциальному исполнению ударника и верхнего клапана, при котором нижние площадки их торцов превышают верхние, создаются разгонные площади на нижних торцах, которые под давлением жидкости обеспечивают подъем (обратный ход) ударника и верхнего клапана. Т.к. клапан легче ударника, он отбрасывается вверх до упора в клапанную коробку раньше ударника. Ударник следует за верхним клапаном вместе с нижним клапаном до момента, когда нижний клапан останавливается при смыкании его бурта с ограничительным кольцом. После этого нижний клапан отрывается от ударника и открывается его осевое отверстие. Жидкость из нижней камеры идет на выхлоп в затрубное пространство скважины через породоразрушающий инструмент, соединенный с наковальней и давление в камерах высокого давления падает. Клапан отбрасывается вниз до упора в наковальню, а ударник по инерции продолжает движение вверх, осуществляя свободный ход, и смыкается с верхним клапаном, перекрывая поток жидкости в верхней камере. При этом там возникает гидроудар. Его давление действует на площадь штока ударника и последний совершает прямой (рабочий) ход, сначала вместе с верхним клапаном, а после его остановки ограничителем – самостоятельно, т.е. свободный ход, до смыкания с нижним клапаном, по которому он наносит удар, передающийся наковальне и далее – породоразрушающему инструменту: долоту или коронке. Смыкание ударника с нижним клапаном вызывает гидроудар в нижней камере и далее рабочий цикл повторяется.

Клапан, которым заменили дроссель гидроударника Р-3МГ, полностью перекрывает поток жидкости, что сопровождается гидравлическим ударом в нижней камере, создающим высокое давление, а это интенсифицирует обратный ход ударника, сокращает время t1 и полное время цикла. Соответственно увеличивается частота ударов и уменьшается расстояние между следами от ударов каждого резца.

Кроме того, при отрыве нижнего клапана от ударника в клапане открывается отверстие, обеспечивающее свободное истечение жидкости из нижней камеры, а следовательно, устраняющее противодействие рабочему ходу ударника, что повышает энергию удара. Таким образом, клапан, выполняя функцию дросселя, одновременно выполняет также функцию внутреннего клапана ударника в машине Р-3МГ. Этим достигается повышение эксплуатационных показателей гидроударника при упрощении его конструкции.

На описанные конструкции получены инновационные патенты Казахстана.

Опытный образец нового гидроударника (НГ) с новыми долотами (НГД) и коронками (НК) был опробован в производственных условиях на месторождении Узень

До опробования нового гидроударника, на скважине 2584 было проведено экспериментальное разбуривание цементно-песчаной пробки гидроударниками Р-3МГ с коронками К19М-4 и ГПИ-2 в интервале глубин 350–550 м. Было пройдено 190,4м со средней механической скоростью 1,67м/час. Использовалось 18 коронок, из них 8 было поломано. Средняя проходка на коронку составила 13,1 м.

При сопоставлении результатов использовали также данные о применяемом способе разбуривания пробок – при помощи забойного вращателя Д105 с шарошечными долотами 1В-6ВТ, на скважине 2236 на глубине 400–500 м., где коммерческая скорость бурения составила 0,71 м/час.

Несмотря на большое количество поломок коронок, гидроударное бурение в 2007 г. позволило получить более высокую коммерческую скорость бурения – 0,86 м/час.

Опытное бурение новыми техническими средствами производили при разбуривании цементно-песчаных пробок на скважине 3526 в интервале глубин 400 – 500 м. В первой серии, проводилось бурение гидроударниками НГ с долотами НГД, а во второй – с коронками НК.

С долотами НГД было пройдено 29,0 м со средней механической скоростью 1,9 м/час, что в 1,5 раза выше, чем скорость бурения шарошечными долотами с гидроударником Р-3МГ. Использовано три долота. Все они отработали по 4 рейса, но при замене периферийной части могли использоваться и далее. Поэтому предельное число рейсов для этих долот пока не установлено и определить затраченное число долот не представилось возможным. Соответственно, не была определена проходка на долото.

Коммерческая скорость бурения составила 1,1 м/час.

С коронками НК было пройдено 41,0 м. Средняя механическая скорость составила 3,1 м/час, что в 1,6 раза выше, чем при бурении долотами НГД и более,чем в 2 раза выше, чем при бурении шарошечными долотами. Число использовавшихся коронок было – 3, число затраченных коронок – 2,75, т.к. две из них отработали весь срок – 4 рейса, а одна – три рейса, т.е. отработана на 0,75 своего ресурса. Средняя проходка на коронку 41:2,75 = 14,9м. Коммерческая скорость бурения – 1,62 м/час.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных технических средств гидроударного бурения при выполнении ремонтно-восстановительных работ в нефтяных скважинах месторождения составляет более 24 млн. тенге/год.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены новые научно обоснованные результаты, позволяющие решить важную прикладную задачу – применение гидроударного бурения при восстановлении дебита нефтяных скважин путем разбуривания пробок и ликвидации аварий, что значительно повышает эффективность бурения при восстановлении эксплуатационных скважин.

Основные результаты выводы и рекомендации выполненных исследований заключаются в следующем:

1.  Проведен анализ различных видов бурения разведочных скважин в условиях аналогичных разбуривания пробок и ликвидации аварий при ремонтно-восстановительных работах (РВР) в эксплуатационных нефтяных скважинах, установлено, что наиболее перспективным является ударно-вращательное бурение с использованием гидроударников двойного действия, в которых отсутствуют часто выходящие из строя пружины в сравнении с другими конструкциями гидроударников.

2.  Установлено на основе экспериментальным путем работоспособности технических средств (РВР), проанализированы рабочие процессы гидроударников типа Р-3МГ , буровых коронок К19М-4 и ГПИ-2 для работы на глубине от 500 до 1000 м.

3.  Разработана экспериментально-аналитическая методика исследования механизма взаимодействия бурового инструмента с породой на забое скважины на базе работы индентора, имитирующего долотчатый инструмент. Выявлена количественная зависимость факторов влияющих на эффективность разрушения забоя от расстояния между ударами гидроударника. Сделаны рекомендации по выбору «критического значения» между ударами при котором достигается наибольшая эффективность работы технических средств РВР.

4.  Установлено, что при отклонениях расстояния между ударами от «критического значения», составляющего 15-13 мм в большую или меньшую сторону, эффективность работы технических средств РВР снижается более, чем на 15%.

5.  Разработан специальный стенд, конструкция которого позволяет осуществлять измерение объема разрушенной индентором породы при изменении расстояния между лунками от ударов, устанавливать удельную энергоемкость и относительный коэффициент эффективности разрушения породы, возрастающий с уменьшением удельной энергоемкости.

6.  Разработана методика исследования работоспособности буровых коронок и их износостойкости, позволяющая устанавливать значения сил, вызывающих изгиб резца, создаваемых напряжений, сил противодействующих внедрению резца и получать данные по износу резцов на разных этапах отработки коронки. Определен критерий отбраковки коронок, согласно которому величина параметра «γ» конусного износа коронки не должна быть более двух миллиметров, во избежание ее поломки.

7.  Разработана инженерная методика расчета резцов коронок на прочность при их значительном конусном износе. Составлены рекомендации по предотвращению поломок резцов и правила их отбраковки.

8.  Разработана новая конструкция гидроударника, характеризующаяся увеличением частоты и энергии ударов. При этом расстояния между следами от последовательных ударов каждого резца коронки достигают оптимальных значений. Защищена авторским свидетельством.

9.  Разработано универсальное составное долото – породоразрушающий инструмент, допускающий бурение сплошным и кольцевым забоем, путем отсоединения периферийной части, представляющей собой кольцевую коронку, боковой износ этой коронки не является конусным, поскольку наружный диаметр коронки армирован твердосплавными штырями с полусферическими головками. Это меняет характер бокового износа и уменьшает его интенсивность, в результате чего возрастает ресурс коронки, на 25%.

10.  Проведено опытное бурение разработанными техническими средствами при разбурке цементно-песчаных пробок в нефтяных скважинах на глубине до 1000 м. Получены результаты, превосходящие результаты применяемого бурения машинами Р-3МГ. Расчетный годовой экономический эффект составляет более 24 млн. тенге/год.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1    Отебаев М., Ратов Б.Т. Влияние угла приострения резцов и чистоты их заточки на эксплуатационную прочность гидроударных коронок // Сборник материалов IV Междунар. научн.-практ. конф. «Образование и наука XXI века – 2008», София, 2008. – С. 38–44.

2    Отебаев М., Касенов А.К., Ратов Б.Т. Механизм разрушения горной породы ударами долотчатого индентора // Геология и охрана недр. – Алматы: КазГЕО, 2009. – № 1 (30). – С. 89–92.

3    Отебаев М., Касенов А.К., Ратов Б.Т. К вопросу о целесообразности бурения разведочных скважин ударно-вращательным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: изд. Московского Гос. Горного Университета, 2009. – № 4. – С. 166–171.

4    Ратов Б.Т., Отебаев М., Стендовые исследования эффективности разрушения породы единичными ударами // Горный информ.-аналит. бюллетень. – М.: изд. Московского Гос. Горного Университета, 2009. – № 4. – С. 159–165.

5    Отебаев М., Касенов А.К., Ратов Б.Т. Анализ сил, действующих на площадки износа резцов гидроударных коронок и методика их расчета // Материалы V междунар. конф. «Инновационные разработки и совершенствование технологии в горно-металлургическом производстве», Усть-Каменогорск, 2009. – С. 105–110.

6    Отебаев М., Ратов Б.Т. Влияние износа гидроударных коронок на их эксплуатационную прочность // Материалы III междунар. науч. конф. «Актуальные проблемы машиностроения». – Алматы, 2009. – С. 122–126.

7    Инновац. пат. №21722 . Республика Казахстан. Ступенчатое долото ударно-вращательного бурения и кольцевая коронка с ним / Отебаев М., Ратов Б.Т., Молдабеков М.С, Өтебай Б.М., Айтугулова Б.А.; заявитель и патентообладатель 2008/0509.1; заявл. 29.04.2008, № 61615; опубл. 15.09.2009, Бюл. № 9.

8    Инновац. пат. № 21226. Республика Казахстан. Двухклапанный гидроударник двойного действия / Отебаев М., Ратов Б.М., Өтебай Б.М.; заявитель и патентообладатель 2008/0510.1; заявл. 29.04.2008, № 60188; опубл. 15.05.2009, Бюл. № 5.

9    Отебаев М. Породоразрушающий инструмент для гидроударного бурения при ремонтно-восстоновительных работах в эксплуатационных скважинах // Труды междунар. форума. «Наука и инженерное образование без границ », Алматы, 2009. – С. 323–326.


Майлыбай Отебаев

 

Пайдалану мұнай ұңғымаларын қалпына келтіру

мақсатында гидросоққылама бұрғылауға арналған

техникалық құралдарды жобалау

 

05.05.06 – Тау-кен машиналары

мамандығы бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми

дәрежесі үшін дайындалған диссертация авторефератының

түйіні

 

Зерттеу нысаны: Пайдалану ұңғымаларын жөндеу-қалпына келтіру жұмыстарында (ЖҚЖ) қолданылатын техникалық құрылғылардың конструкциялық ерекшеліктерінің гидросоққылама бұрғылау процессіне тигізетін әсері.

Жұмыс мақсаты: Гидросоққылама бұрғылауды қолдану арқылы ЖҚЖ әсерін жоғарылату және ұңғымада болған апаттарды тойтару мен кептелістерді бұрғылап өтуге арналған тау жынысын талқандаушы аспаппен гидросоққыштың жаңа техникалық құралдарын жобалау.

Зерттеудің әдістемесі: Зерттеу – қашаулы кескіштердің тау жынысын жалқы соғу арқылы талқандаудың математикалық модельін, коронкалардың конусты тозуын, берілген бұрғылаудың параметірлерін компьютерлік бағдарлама арқылы есептеу, өндірістік және стендттік сынақтар өткізу, сынақтық бұрғылау нәтижелерін жаңа тәсілдерді пайдаланып өңдеу, сынақ нәтижелерінің негізінде конструкторлық жобалар жасау қарастырылған.

Жұмыс нәтижесі:

    Пайдалану ұңғымаларын жөндеу-қалпына келтіру жұмыстарына (ЖҚЖ) апаттарды тойтару мен кептелістерді бұрғылауға ұқсас жағдайларда барлау ұңғыларын әр түрлі бұрғылау тәсілдерімен бұрғылап сараптау негізінде, гидросоққышты пайдаланып айналдырып-саққылау тәсілінің пайдалану мұнай ұғыларының болашағы өте зор екені анықталды.

    Гидросоққылама бұрғылау тәсіліндегі машинаның жұмысы мен тау жынысын талқандаушы аспапбының бір-біріне тәуелділігіне баға беру мақсатында, каронкаларды пайдалану кезіндегі оның беріктігін және тозуға қарсы қабілетін артыру мәселелері тереңінен қарастырылған.

    Коронкалардың кескіштерінің ұңғыма түбін соққылау арқылы тау жынысын талқандау теориясы анықталған және талқандалу тиімділігін анықтауға арналған есептеу формулалары ойлап табылған; Сақина тәрізді каронкалардың кескіштерінің ұңғыма түбімен әр соқтығысу іздерінің ара қашықтықтарының, тау жынысын талқандау әсерінің өзгеру заңдылығын стенттік тәжрибе жасау арқылы анықтаған. Оның соғу энергиясының ұңғыма түбіне және қабырғасына тигізетін әсері және соғу аралықтарының оптималды ара қашықтықтары да қарастырылған.

    ЖҚЖ құрамында кептелістерді бұрғылау үшін тәжрибелік гидро-соққылау жұмыстары жүргізілген және бұрғылау кезінде каронкалардың жұмысқа жарамдылығы мен төзімділігі мұқият зеріттелген. Белгілі бұрғылау көлемінде пайдаланылған каронкалар санын анықтауға арналған зерттеулер нәтижесін өңдеу әдістемесі жасалған.

    Сынақ нәтижесінде, каронканың жалпы қолданылу уақытына бұрғылау жылдамдығына әсер ететін қапталды (конусты ) тозудан бөлек, қатты тозудан кейін олардың кескіштерінің сынуы да ерекше рөл ойнайтындығы анықталды; каронкалардың кескіштерінің жоғары конусты тозу әсеріне төзімділігін анықтайтын есептеу әдістемесі жобаланған. Каронкалардың тозуына байланысты жасалған сынақ нәтижелерін қолдана отырып, олардың әр түрлі типтерінің беріктігін есептеу қарастырылған.

    Соғу энергиясын және жиілігін жоғарлатуға арналған гидросоққыш ойлап табылған. Олардың кескіш тістерінің ұңғы түбін соғу ара-қашықтықтары оптималды мәнге ие болды.

    Ұңғыма түбін тұтастай және сақыналы бұзатын құрама қашау жобаланған. Оның сыртқы жасақтары жартылай сфералы қатты қорытпамен өңделген, сондықтан оның қапталдық тозуы аз. Осының нәтижесінде коронканың жұмыс істеу мерзімі ұзартылған.

Жобаның өндіріске енгізілуі дәрежесі және ұсыныстар:

    Р-3МГ гидросоққышымен тәжрибелік және де 1000м дейінгі мұнай ұңғымаларында цементтелген құмдақ кептелістерін бұрғылау жұмыстары жүргізілді. Жасап шығарылған гидросоққышпен оның техникалық жабдықтарының, түптік айналдырғышы бар шарошкалы қашауларды қолданғаннан қарағанда, едәуір тиімді екендігі жиналған тәжрибелік нәтижелерден анықталды. Бұл көрсеткіштерден біз пайдалану ұңғыларын жөндеу-қалпына келтіру және апаттарды тойтару мен кептелістерді бұрғылау жұмыстарына, гидросоққышпен оның техникалық жабдықтарын үлкен көлемде өндіріске енгізу керектігін үлкен сенімділікпен айта аламыз.

    Пайдалану аясы: Зерттеулер нәтижесі гидросоққылама бұрғылау тәсілі пайдалану ұңғымаларын жөндеу-қалпына келтіру жұмыстарында (ЖҚЖ) қолданылатын техникалық құрылғылар сонымен қатар геологиялық барлау ұңғымаларында, және де соғып айналуды қолданатын кез келген бұрғылау тәсілінде пайдалануға ұсынылып отыр.

Жобаның экономикалық тиімділігі: Жобаланған жаңа коронкаларды пайдалану техникалық құралдары мен технологиялық құрылғыларынан күтілетін жылдық экономикалық тиімділік 24 млн. дан көбірек тенге құрайды.

 

 

 


SUMMARY

 


Mailybay Otebayev

 

Developing hydro percussion drilling technology for

restoration of productive oil wells

 

Thesis for application for scientific degree of technological science candidate

 

05.05.06 – Mining machines

 

The object of research: The process of hydro percussion drilling and its influence upon structural specialties of technological devices intended for repair and restoration of productive oil wells

The purpose of the work: Increasing efficiency of productive oil wells repair and restoration procedures by application of hydro percussion drilling and development of new technology – such as hydro percussion machines and bits for them, enabling drilling through plugs and eliminating downhole failures

The methods of research: Working out mathematic models of rock destruction by chisel shape cutter’s individual impacts and of core bit tapering wear, as well as creating computer programs for assessment parameters of the above processes. Performing stand and industrial experiments; developing new method of processing data on experimental drilling; basing upon the outputs of the experiments executing designing projects.

The outputs of the work:

    Basing upon experience of drilling various types of exploration wells under conditions, similar to those, encountered at drilling through plugs and at eliminating downhole failures while performing repair and restoration of production wells, it was established, that hydro percussive drilling is an effective mode of restoration of oil production wells.

    For assessment of interconnection in performance of the hydro percussion machine and its bit, the problems of core bit work on formation destruction by the bit’s cutters, as well as those of rising the strength and wear resistance of the bit as a whole were examined

    A theory of well face destruction by the bit cutters’ impacts was worked out, formulas for estimating destruction efficiency derived. Stand experiments were executed, which established dependencies of rock destruction effectiveness on distance between traces of successive impacts of the core bit cutter, as well as on the impact’s energy and existence of additional open plane and wellbore wall’s influence. Optimum values of the distances between the impacts were found

    Drilling tests through plugs in repaired wells was carried out, experiments on working life and wear strength of core bits establishing staged. Worked out is express method of experimental data processing, basing upon number of bits, spent on a certain penetration length. That method guarantees increasing reliability of the findings obtained.

    It was experimentally established, that it is the lateral (tapered) wear, which has the greatest influence upon the general performance life of the core bit. Apart from its impact on the speed of penetration, such type of wear represents the principal cause of cutters failures. A method of the cutters’ strength evaluation under conditions of the tapered wear is worked out. Basing upon obtained experimental data on the core bits wear, strength estimates for bits of various types are made.

    A hydro percussion machine is developed, which is remarkable for higher frequency and higher energy of impacts. When that machine is applied, the distances between traces of consecutive impacts for each of the core-bit’s cutters have reached optimum values

    A composite bit is developed, permitting both core and non core drilling. The central part of the non core bit can be detached, in which case remaining annular pert represents a core bit. The lateral surface of such a core bit is not subjected to the tapered wear, being protected with hard alloy cylindrical slugs with semi-spherical heads. That alters the type of the lateral wear and decreases its intensity, prolonging the bit’s working life

The extent of implementation and recommendations for implementation:

Experimental drilling by hydro percussion machines P-3MГ, completed with developed technological facilities, has been carried out through sand and cement plugs in oil producing wells at the depth of up to 1000 m. The outputs demonstrated advantages of hydro percussion drilling as against commonly used rock bit drilling with application of the downhole rotators. Also advantages of newly developed hydro percussion technologies against the traditional ones were corroborated. The above stated enables to recommend implementation of hydro percussion drilling in complex with the worked out technological facilities for repair and restoration of production wells in greater volumes.

The sphere of application: The results achieved allow to increase efficiency of hydro percussion drilling as a whole, and in that connection they can be used at geological prospecting as well as in other areas, where that mode of drilling is employed.

Economic efficiency: An expected economical effect of application of the new technology and new methods of working out core bits amounts to 24 mln.

 

Вы 20386924-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016