книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин
..pdfвают пробку 16, которая, увлекаемая потоком рабочей жид кости, попадает на седло штока 5, закрывая проход жидкости. Под действием давления шток 5 опускается, сжимая пружину 21 до тех пор, пока зубья кольца 22 не попадут в зубчатый венец 20. Тогда отверстие 7 штока совпадает с отверстием 10 золотника, и рабочая жидкость устремляется в рабочую каме ру устройства под поршень-ударник 14, который под действи ем давления поднимается. Временная пробка из отверстия 2 выдавливается давлением. Поршень, разгоняясь, достигает фланца золотниковой втулки 8 и продолжает двигаться вместе с ней. Золотниковая втулка при своем перемещении закрыва ет отверстия 2, 7 и открывает — 6. Далее, продолжая движе ние, она сжимает впереди себя жидкость, замкнутую в каме ре, образованной выше отверстия 2, передавая энергию дви жения прихваченной колонне. Жидкость из этой камеры вы тесняется через дросселирующее отверстие 11. Далее, обрат ным потоком жидкости поршень разгоняется в противополож ную сторону, производя удар вниз.
Соотношение сил ударов вверх и вниз регулируют измене нием проходных сечений нагнетательных отверстий сверху и снизу поршня. Сечение нагнетательных отверстий изменяют по воротом штока 5.
Отверстия б и 7 на штоке имеют переменные по длине ок ружности сечения. При совмещении отверстий штока и золот ника обеспечивается мощный удар вверх и слабый вниз. Пово ротом штока можно получить необходимое соотношение сил ударов, вплоть до мощного удара вниз и слабого вверх.
Шток поворачивается следующим образом. При прекраще нии нагнетания давление прокачиваемой жидкости уменьшает ся. Пружина 21 поджимает шток 5. Нижние зубья зубчатой втулки 22 выходят из зацепления с зубьями зубчатого венца 20, а верхние зубья попадают на боковые поверхности зубьев венца 19 и под действием силы пружины, скользя по их по верхности, поворачивают шток. Затем нагнетание жидкости в скважину возобновляют. Под давлением жидкости шток пере мещается вниз. Нижние зубья втулки входят в зацепление с зубчатым кольцом 20 и шток снова поворачивается.
Таким образом, многократным уменьшением и восстанов лением давления при повороте штока получают нужное соот ношение сечений нагнетательных отверстий, что обеспечивает необходимое соотношение сил удара.
После ликвидации прихвата производят обратную промыв ку скважины. Пробка 16, подхваченная потоком жидкости, воз вращается на поверхность. Шток 5 под действием пружины возвращается в верхнее положение, закрывая рабочую камеру устройства, после чего можно продолжать бурение.
Одно из основных преимуществ этого гидроударника за ключается в возможности включения его в компоновку буриль-
161
Рис. 29. Схема глубинного эксцентрикового вибратора ВМЭ-2:
J — корпус; 2 — вал; 3 — дебаланс; 4 — полумуфта шлицевая
ного |
инструмента, а также |
|
в воз |
||||
можности |
регулирования |
частоты |
|||||
вынужденных |
колебаний |
и |
силы |
||||
удара в одном |
из выбранных |
на |
|||||
правлений. |
|
для создания |
слож |
||||
Устройства |
|||||||
ных |
колебаний колонн. Конструк |
||||||
торским бюро |
объединения |
Сара- |
|||||
товнефтегаз |
совместно с Саратов |
||||||
ским |
политехническим институтом |
||||||
разработан |
и испытан глубинный |
||||||
эксцентриковый |
вибратор |
ВИЭ-2 |
|||||
с приводом от турбобура, |
создаю |
||||||
щий |
колебания |
в радиальном |
на |
||||
правлении [17] (рис. 29). |
|
|
|
||||
|
Технические данные ВИЭ-2 |
|
|
|
|||
Момент дебалансов, кгс-м ............... |
\ |
7,07 |
|||||
Частота вращения |
вала |
турбобура, |
|
1000 |
|||
об/мин...................................................... |
|
|
|
|
|
||
Возмущающая сила, т с ....................... |
мм . . |
4,8 |
|||||
Наружный диаметр корпуса, |
. |
|
170 |
||||
Длина, м м .............................................. |
|
|
|
|
9000 |
||
Масса, |
к г ................................................. |
|
|
|
|
|
960 |
Вибратор ВМЭ-2, состоит из корпуса, через который пере |
|||||||
даются вибрации на прихваченный инструмент, |
вала |
с |
наса |
женными на него на шпонках дебалансами, создающими виб рации, и шлицевой полумуфты, через которую вал турбобура соединяется с валом вибратора.
В объединении Саратовнефтегаз с помощью этого устройст ва ликвидировали прихваты на скв. 1 Озерская, скв. 8 Карпенская и скв. 84 Лебяжинская объединения Куйбышевнефть.
Результаты исследований, проведенных авторами по уста новлению эффективности работы в зависимости от удаления вибратора от места прихвата, показали, что при некоторой дли не прихваченной части колонны труб влияние вибратора может практически прекратиться. Это объясняется тем, что при попе речных колебаниях амплитуды неодинаковы вдоль длины ос вобождаемой колонны и эффективность вибраций на разных участках колонны также различна, но с увеличением расстоя ния от вибратора до места прихвата — амплитуды значитель но уменьшаются.
162
Это обстоятельство подтвердилось опытом применения дан ного вибратора, оказывающегося более эффективным при лик видации прихватов обсадных труб.
На скв. 1 Озерская, где после отвинчивания свободной ча сти бурильной колонны остался турбобур с бурильной голов кой и всего 6 м бурильных труб, вибратор работал в течение 15 ч 30 мин, что указывает на невысокую эффективность ава рийных работ по ликвидации прихватов бурильного инструмен та с его использованием.
Так как продольные колебания действуют равномерно по всей длине колонны, а интенсивность затухания продольных колебаний в колонне труб в результате действия различных диссипативных сил значительно меньше интенсивности затуха ния поперечных колебаний, то устройства, создающие продоль ные колебания, более рациональны.
Примером может служить возбудитель упругих колебаний (ВУК), разработанный Институтом механики МГУ [20].
ВУК — телескопическое устройство, состоящее из двух ос новных узлов: штока и корпуса. Конструкция предусматривает расцепление телескопических узлов при приложении определен ной растягивающей нагрузки, которую регулируют перед спус ком в скважину.
С помощью ВУК можно наносить удары по прихваченной колонне труб снизу вверх и воздействовать на область прихва та импульсно-динамическими силами сверху вниз, вовлекая бу рильную колонну в интенсивный колебательный процесс.
Техническая характеристика устройств |
|
||
Обозначения |
ВУК-170 |
ВУК-210 |
|
Наружный диаметр, мм. .......................................... |
170 |
210 |
|
Длина в исходном состоянии, м ............................... |
|
3 |
3 , 3 |
Телескопический ход штока, м .............................. |
|
0,8 |
1 |
Присоединительные резьбы ..................................... |
телеско |
3-167 |
3-171 |
Диапазон регулировки сил расцепления |
0—100 |
||
пического узла, т с .............................................. |
|
||
Минимальный внутренний диаметр проходного от |
55 |
75 |
|
верстия, м м ......................................................... |
|
||
Время импульсного воздействия, с .............................. |
|
|
0,1 |
Энергия силового импульса, направленного свер |
|
1500 |
|
ху вниз, к г с - м .......................................................... |
тс . . . |
150 |
|
Сила жесткого удара ясом снизу вверх, |
250 |
||
Частота импульсных воздействий за 1 мин . . . |
|
1 |
В зависимости от вида и характера прихвата ВУК может работать в режимах механического яса — возбудителя упругих колебаний.
Для ликвидации прихватов, вызванных заклиниванием бу рильной компоновки в деформированных участках ствола сква жины или посторонними предметами при ее спуске, необходи мо использовать ВУК в режиме ударного яса. В этом случае устройство устанавливают непосредственно над прихваченной
1СЗ
частью бурильной компоновки под УБТ весом 10—15 тс. Перед спуском ВУК регулируют по силе расцепления телескопическо го узла при помощи специального регулировочного винта. Си лу расцепления определяют по номограмме, приведенной в ру ководстве по применению устройства.
При прихватах вследствие перепада давления или осыпей и обвалов, а также при заклинивании бурильной колонны при подъеме из скважины ВУК используют в режиме возбудителя упругих колебаний, для чего его включают в аварийную ком поновку так, чтобы длина участка между ним и местом при хвата была не менее 500 м и не более величины I, определяе мой по формуле
I = Q/q, |
|
(95) |
где Q — осевая сила |
расцепления |
ВУК, кгс; q — вес 1 м бу |
рильных труб, кгс/м. |
|
|
С помощью этого устройства ликвидировали прихваты на |
||
нескольких скважинах |
объединений |
Оренбургнефть и Узбек- |
нефть.
Одно из основных преимуществ этого устройства — широ кий диапазон применения, т. е. наряду с ликвидацией заклини ваний бурильного инструмента, оно используется и при при хватах, вызванных действием перепада давления или вследст вие осыпей и обвалов, а также для создания колебаний всей бурильной колонны. Однако ВУК имеет недостатки:
1) невозможность создания жесткого удара, т. е. работы устройства в режиме ударного яса по направлению к забою;
2)при сломе штока часть устройства остается в скважине, усложняя аварийную ситуацию;
3)сложность изготовления узла сцепления и регулировки;
4)невозможность регулирования режима работы непосред ственно в скважине в момент ликвидации прихвата;
5)сложность обслуживания.
В настоящее время в глубоком бурении на нефть и газ на ходят применение в основном устройства УЛП-190-1 (кон струкции ВНИИКРнефти), ГУМ (конструкции ВНИИБТ), ВУК (конструкции института механики МГУ).
§ 7. ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ, СООБЩАЕМЫЕ КОЛОННЕ ПРИХВАЧЕННЫХ ТРУБ ПРИ РАБОТЕ УСТРОЙСТВ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Результативность устройств, применяемых для ликвидации прихватов, зависит от развиваемых ими сил и места их прило жения. Важной расчетной характеристикой при этом является динамическая нагрузка, сообщаемая прихваченной части ко лонны. Расчет динамических нагрузок целесообразно выпол нять на примере устройства ударного действия [2], в котором
164
нение
назовем ударный элемент молотом, а элемент, которому пере дается удар и который соединен с прихваченной колонной труб, — наковальней (рис. 30). Обычно перед нанесением уда ра молот вводят в зацепление (заряжают), затем при созда нии осевой нагрузки или проворачивании происходит его срыв и удар по наковальне, при этом свободная часть прихва ченных труб растягивается.
При расчете растягивающих сил во время удара возникает известная задача о динамическом нагружении стержня.
В принятой расчетной схеме: h — свободный ход молота, h — длина свободной части труб от места прихвата до элемен та зацепления молота; 1\ — расстояние от устья скважины до наковальни.
В связи с небольшой величиной свободного хода и пола гая, что скважина вертикальна, а элементы верхней части ко лонны и свободной части прихваченных труб упругие, силами сопротивления при движении колонны труб при срыве молота
с зацепления можно пренебречь. Обычно |
так как сво |
бодную часть труб отвинчивают и извлекают |
вблизи места |
прихвата. В первом приближении диаграмму сила — удлине ние при заряжении устройства можно представить в следую щем виде (рис. 31), где N — сила натяжения при заряжении устройства. Согласно этой диаграмме, упругая энергия дефор мации свободной части прихваченной колонны труб длиной /г будет равна
— |
1% |
All = — |
(Ah + M1 — h — ДУ (h + Д/г). (96) |
2 |
2 |
1х |
165
Считая, что E I =E2=E, получаем
M l (\\ + |
FА |
у — 2 (A/x — К) Д/а — К { 2 М 1 - К) = 0. |
(97)» |
|
Исходя из этого уравнения, определяем удлинение свобод |
||||
ной части прихваченной колонны: |
|
|||
Л/2 = |
А/, |
А1г — |
h |
|
F,/, |
+ |
X |
|
|
|
1T jT L |
|
||
|
FA |
FA |
|
x /' +^rO +^ +lCTO +^r)-
(98)
Принимая во внимание, что динамическая сила QH опреде ляется из выражения
£/^ А/, З д - д
а статическая сила, действующая на прихваченную колонну после удара и успокоения,
11
получаем после преобразований
Qд |
" |
Q C T |
|
|
|
|
|||
|
1 |
FJ. |
|
|
|
|
(99)< |
||
Даже при нулевом ходе h = 0 |
||||
|
||||
<2Д = |
|
2QCT |
(100)- |
|
i |
FA |
|||
|
|
F,/,
т. e. возможны устройства ударного типа с очень малыми хо дами, но тем не менее с высокими динамическими нагрузками1 в момент удара.
После преобразования выражение (98) можно представить
в виде уравнения |
|
||
А/2 |
А/х — h |
+ |
|
1 , Fa/X |
|||
|
FA
166
+ |
Д/г — А |
2A ( A ^ — A) |
(1 0 1 ) |
,_ I A |
FA |
||
1 |
1+ — - |
1 F ill |
|
|
FA |
FA |
FA |
из которого видно, что если натяжение такое, что Д/j=h, то
А/2 = |
А |
(102) |
1Fjk FA
Принимая во внимание, что |
|
||
AliEFt |
= N |
|
|
к |
|
|
|
( N — сила натяжения), |
|
||
легко получить соотношение |
|
||
|
NFlt |
(103) |
|
VFlll+FAAk |
|||
|
|||
Обычно в практике FI ^ F 2, тогда |
|
||
Q |
к (к + к) ' |
(104) |
|
Д / |
|
Если учесть, что U ^ h , то получим простое выражение для определения динамической нагрузки в случае
h = А/х (при QCT= 0),
|
(105) |
Пр и м е р . |
Определить динамическую нагрузку. |
Д а н н ы е : |
A = A/i = 20 см; FI=F2=F—40 см2; £=2-106 кгс/см2; lt= |
=1000 м; /2= 10 м.
Ре ш е н и е :
EFMX 2-106-40-20
16-103 кгс.
100 000
Тогда
= 16-10® р/ ——— = 16-104 кгс.
Вобщем случае в качестве расчетной формулы можно ис
пользовать выражение (99), а для частных задач, когда |
Л.= 0 |
|
или h = AU, соответственно выражения |
(100), (103), (104). |
на |
Согласно полученным выражениям, |
можно оценивать |
грузки, действующие на прихваченную колонну труб в момент удара, что позволит правильно выбирать нагрузки, предотвра-
167
тить возможные порывы труб при ликвидации аварий и рас считывать элементы конструкции ударных устройств.
Следует отметить, что при расчете динамической нагрузки не были учтены упругие связи для колонны прихваченных труб и силы сопротивления при движении верхней части труб. По этому полученные зависимости следует рассматривать в каче стве верхней оценки, что является вполне удовлетворительным при расчетах на прочность.
§ 8. ВЫБОР СПОСОБА ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТА МЕТОДАМИ ТЕОРИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ
Применяемые в настоящее время способы предупреждения и ликвидации прихватов недостаточно эффективны, так как они не всегда соответствуют конкретной ситуации в скважине. Подтверждением этого могут служить данные о ликвидации прихватов в некоторых скважинах объединения Краснодар нефтегаз (табл. 30), по которым наглядно прослеживается ди намика принятия решений об использовании того или иного способа.
Т а б л и ц а 30 Методы ликвидации прихватов
скважины№ |
Площадь |
Причта прихвата |
|
3 |
Кужорская |
Под действием |
Ар |
|
25 |
Мирная Балка |
Заклинивание |
до |
|
3 |
Чамлыкская |
Заклинивание |
||
5 |
Лабинская |
лота |
|
|
То же |
|
|||
7 |
Кавказская |
Желобообразование |
||
14 |
Кавказская |
То же |
|
|
32 |
Южно-Советская |
Под действием |
Ар |
|
3 |
Лабинская |
То же |
|
|
30 |
Мирная |
Балка |
Заклинивание |
|
3 |
Суздальская |
То же |
|
|
2 |
Восточно-Кубан |
Желобообразование |
||
21 |
ская |
|
Сальникообразова- |
|
Митрофановская |
||||
20 |
Мирная |
Балка |
ние |
Ар |
Под действием |
||||
21 |
Митрофановская |
Заклинивание |
|
Способы ликвидации (действия)
а1+а1
а2+а4
а2_Ьа1_Ьа а~Ьаз
ai + a2-f-aS~f-a4 ai + ai + a 2
а1+а1+а2+а1+«Х+
+ a 2 + fl0
а1+а1+ а1+аз
al + ° 2 + fll + a2 + ai +
+ a2"fa4
fl2 + fll + a 2 + al + a 2 +
а 2
al + fl2 + fl3 *з
а1 + а1 + а1'Ьа4
аХ+а1+ а1+ а2
Затраты вре мени на лик видацию аварии, ч
38
790
1113
5012
91
1133
3360
676
246
38
210
111
378
628
168
Как видно, стратегия исполнителя базируется на совокуп ности накопленного опыта по ликвидации прихватов и селек тивном подборе наиболее эффективного способа для конкрет ного случая из числа известных последовательным их приме нением в данной ситуации. Такой метод малоэффективен и приводит к значительным потерям времени и материальных ресурсов.
Решения в сложной ситуации, обеспечивающие минимиза цию потерь, особенно в условиях неопределенности обстановки: в скважине, наиболее целесообразно принимать на базе мето дов теории статистических решений [53] по приведенному ни же принципу.
Неопределенность ситуации или состояние . природы при: ликвидации прихватов, как известно, обусловливаются разно образием геолого-технических условий и характером взаимо действия колонны труб с породой (действие перепадов давле ния, заклинивание, обвалы, желобообразования и др.). Со гласно существующим представлениям о причинах прихватов,, можно установить прихваты трех основных категорий (по тер минологии теории статистических решений — состояний при
роды) : |
под |
действием перепада давления; 02 — за |
|
01 — прихват |
|||
клинивание (в |
том |
числе при спуско-подъемных операциях, |
|
вращении, в желобных выработках); |
03 — прихваты вследствие |
||
сужения поперечного |
сечения ствола |
скважины (при обвали |
вании пород, сальникообразовании, оседании утяжелителя, шлама, течении высокопластичных пород и т. д.).
К наиболее распространенным способам ликвидации при хватов в промысловой практике можно отнести использование ванн, механических и гидромеханических импульсных воздей ствий, взрывов, обуривание, извлечение колонны труб по час тям. Эффективность каждого из этих способов во многом оп ределяется состоянием природы. Например, использованиеванн наиболее результативно при ликвидации прихватов, вы званных действием перепада давления, а устройства ударногодействия (ясов) — при заклиниваниях.
Способы ликвидации прихватов могут быть условно раз делены на четыре группы (по терминологии теории статисти ческих решений — действия): ai — установка ванн; а%— меха ническое, гидромеханическое и другие виды импульсных воз действий; а3 — обуривание труб; а\ — установка мостов и за буривание нового ствола.
Для наглядности выбор способа ликвидации прихвата при нятыми методами показан на конкретном примере (рис. 32)..
Данные
Глубина скважины L, м ............................................................. |
/, м |
. . |
4000 |
Расстояние от устья до верхней границы прихвата |
3500 |
||
Длина колонны ниже верхней границы прихвата /1? |
м . . |
. . |
1000 |
--------------- — -------------------- ----------- ---------------------------------------------------- |
L |
'/'///Л'/////////////////////, щ У////////////■'//У///у
№ |
— |
|
7?.77777777777/, У / / / / / / / / / / / / Л
* |
h |
///У У У /У /У У у / /У / УУУу ,
^ ;Zp |
Т |
с |
* |
И |
|
|
|
|
*лрг*~ |
|
|
Рис. 32. Схема ситуации прихвата колонны труб |
|
Длина желобообразной выработки в глинистых отложениях |
|
1Ж, м ............................................................... |
40 |
Мощность проницаемого горизонта ствола в зоне |
прихвата |
/ п р , м . . . .................................................................................... |
20 |
Мощность глинистых пород в зоне прихвата /г, м |
................... 60 |
Наиболее показательным и естественным выражением убытков от аварии являются затраты в рублях. Учитывая, од нако, сложность расчета в денежном выражении, в качестве критерия оценки можно использовать время, затраченное на ликвидацию прихвата в часах с начала появления аварии до момента достижения глубины забоя перед ее возникновением.
Потери времени Т на ликвидацию прихвата можно рассчи тывать по справочнику норм времени. В данном примере они представлены в табл. 31. Если считать, что выбор действия а* соответствует состоянию природы 0* и приводит к освобожде нию прихваченной колонны труб, то затраты времени следует определять по нормативному справочнику (данные, располо-
|
Т а б л и ц а 31 |
Т |
|
|
|
Потери времени |
|
|
|
|
|
|
ai |
|
в* |
|
а2 |
а3 |
а* |
0! |
75 |
170 |
115 |
250 |
е2 |
130 |
55 |
180 |
300 |
|
410 |
335 |
280 |
400 |
170