Ф Л Шевченко - Ловильные устройства для ликвидации аварий при проходке скважин дуровыми установками - страница 1

Страницы:
1 

Jftwwthiiieустройства для ликвидации аварий при проходке скважин ... УДК 622.248,4 (088.8)

 

Докт, техн. наук ШЕВЧЕНКО Ф Л . канл. техн. на\тг ПЕТТИК Ю В канд. техн. наук УЛИТИН Г.М.

Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, Украина

 

ЛОВИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙ ПРИ ПРОХОДКЕ СКВАЖИН ДУРОВЫМИ УСТАНОВКАМИ

 

Современное горное оборудование позволяет проходить стволы и скважины боль­ших диаметров непосредственным бурением вертикальных выработок различною назна­чения. Для этого широко используются буровые установки роторного типа- Основные элементы буровой установки показаны на рис. I Установка состоит из подъемного мека-

3

к

ю б

5

II 15 ю 13

Рис. I - Основные элементы буровой установки L - 35 MP

4 ниіма на отдельной платформе включающего трехосное при­цепное шасси Л на котором ус­тановлена буровая лебедка 2 с гидравлическим приводом: вспомогательной двухскорост-ной лебедки; Л-образноЙ буро­вой вышки 3 высотой 22 м гру­зоподъемностью 340 т с талевой оснасткой 4; вышки, закреплен­ной на металлическом основании 5, внутри которой расположены раздвижные платформы 6, пере­крывающие устье ствола; ротора /, имеющего проходное отвер­стие 2110 мм с четырьмя гидро-могорами; вертлюга 8 с проход­ным отверстием 330 мм к кото­рому подсоединены два шланга 9 диаметром 330 мм; квадратной ведущей трубы 10 с внутренним отверстием 330 мм; бурильных труб !! с внутренним диаметром 330 мм и фланцевыми соедине­ниями; комплекта буров 12 диа­метрами 2,6 ы; 3,2 м; 3,95 м; 4,0 м: 4,7 м; 5,4 м с шарошками /5; двух компрессоров подачей по 24 м3/мин. Пульт управления установкой со всеми необхо­димыми приборами контроля расположен в удобігой кабине 14.

С помощью бурильных труб /; режущий инструмент (бур) 12 с утяжелителями 15 при помощи талевой системы 4 опускается на забой. При этом бурильная труба и болты, соединяющие отдельные секции труб, испытывают растяжение. В рабочем состоянии, ко­гда режущий инструмент работает на забое, бурильная труба, вращающая инструмент с дополнительным грузом утяжелителей, испытывает на некотором участке сжатие, круче­ние и изгиб. Вследствие такого сложного напряженно-деформированного состояния появ­ляются усталостные напряжения и возможно разрушение болтовых соединений секций труб или труб в местах соединения их с фланцами. Нередки случаи обрыва бурового ин­

струмента при его подъеме, когда он попадает в каверну скважины.

Одна из уникальных аварий произошла 9 сентября 1998 г при проходке скважины глубиною 800 м и диамет­ром 4 м на поле шахты "Крас но лиман екая". Во время бу­рения произошло разрушение болтов соединения у флан­цев режущего инструмента и бур высотою 1,6 с одним утяжелителем (диаметром 2 м и высотою 1 м с общей мас­сой 55 тонн) остался на забое. Ликвидация таких аварий по извлечению оборванного инструмента обычно произво­дится при помощи стандартного ловильного устройства, нижняя захватная часть которого показана на рис. 2 и от­мечена позициями 2-4, 10, 11. Устройство представляет собою стержень с расширяющимся книзу конусом 4 с ше­стью разрезными клиньями 2, которые в верхнем положе­нии утапливаются в направляющих пазах 3 и временно фиксируются винтами 10. В таком состоянии ловильное устройство заводится сверху вниз в промывочное отвер­стие эрлифтного канала долота 1 и при некоторой нагрузке при упоре клиньев своими фланцами в кромки эрлифтного канала винты крепления срезаются, клинья падают вниз и при подъеме бурильной трубы конусом / ! распирают ловушку в стенки промывочного канала.

После захвата бура и в момент его отрыва от забоя нагрузка на ловушку не превы­шала 600 ьН, Однако после нескольких десятков метров подъема, бур, перемешаясь по лежачей стенке скважины, вошел в одну из каверн, после чего стержень ловушки получил

дополнительные изгионые напряжения и оборвался. При падении бур перевернулся на 180 градусов и в таком состоянии, с наклоном в 8 градусов, оказался в забое с шарошками, направленными вверх. На рабо­чей поверхности оказалось три отверстия: одно эр-лифтное с эксцентриситетом 250 мм и два колодца для крепления шарошек со смещением от центра на 700 и 800 мм. При таком положении бура и эксцен­тричном захвате стандартной ловушкой, в виде длинного сплошного стержня, извлечь бур невоз­можно из-за больших изгибных напряжений. Поэто­му стандартная ловушка подверглась модернизации, при этом в стержне ловушки установили два взаим­но перпендикулярных шарнира 5 и 8, которые обра­зовали своеобразный шарнир Гука (рис. 2). Но и эта конструкция не предотвратила поломку стержня (на участке 4 между конусом 11 и нижним шарниром 5) при очередной попытке подъема оборванного долота при нагрузке 800 кН.

Поверхность бура была повторно обследована при помощи зонда диаметром 273 мм, который пока­зал наличие отверстия глубиной примерно 0,7 м. С равной степенью вероятности, это могли быть и эр-лифтный канал с находящейся в нем частью ловиль­ного приспособления и колодцы для крепления Ша­

рошкодержателей. Установить это под 800-метровым слоем промывочной жидкости было практически невозможно.

Следующее лов ильное приспособление (рис. 3) было изготовлено по тому же принципу -центральный стержень с конической поверхно­стью имел 6 независимых клиньев. Сечение всех элементов было увеличено, а взамен шарнира Гужа соединение устройства с бурильной колон­ной б было осуществлено с помощью петли из каната 5 диаметром 42 им. Принципиальная схе­ма крепления изображена на рис. 3. Особенность нового ловильного устройства являлось то, что конструкция ловушки, для облегчения ее ввода конической частью 10 в отверстие долота II, расположенное пол углом к вертикальной оси, состоит из двух частей: верхней части 13 (соеди­нена с буровой колонной 6) и нижней / (захват­ная часть). Причен верхняя и нижняя части со­единены между сэбой при помощи каната 5 и контактируют между собой через поворотную опору 8. Для снятия концентрации напряжений и плавного перегиба каната в верхней части ло­вушки / были вставлены горообразные проуши­ны 7. Для придания жесткости всей конструкции в момент поиска отверстия бура II, между верх­ней и нижней частями ловушки установлена цилиндрическая оболочка 9, которая была рассчитана из условия жесткости и устойчивости до осевых нагрузок порядка 150.. 200 кИ.

После захвата бура его подъём с глубины 800 м до 252 ы продолжался более 10 су­ток, хотя зга операция обычно занимает 6-8 часов. Из-за эксцентричной подвескн бур постоянно расклинивался в скважине. Поворотом бурильной колонны его верхнюю часть ориентировали в направлении лежачей стенки скважины и делали расходку\ не допуская снижения веса более, чем на Ї00 кН. При одной из таких операций на глубине 252 м про­изошло разъединение ловильного устройства и падение бура на забой из-за потери клинь­ев ловушки.

Бур снова оказался на забое в перевернутом и наклонном состоянии.

Чтобы устранить трение и задержки бура о стенки скважины было решено разбурить скважину большего диаметра. При проведении работ по разбуриванию скважины а мае 1999 г. второй бур вместе с утяжелителем массой 90 тонн оборвался и при падении задер­жался в стволе на глубине 486 м с перекосом в 25 - 30 (рис, 4, где 1- бур, 2- отверстие эр­лифтного трубопровода, 3-ловильиое приспособление, 4-бурильная труба). Извлечь этот бур стандартной ловушкой было невозможно, так как в промывочное отверстие у стенки ствола нельзя ее запустить, так как ось отверстия находилась под углом, а сверху высту­пал козырек. Проектно-конструкторекие работы по разработке новых давильных уст­ройств для подъема бура стали проводить в двух направлениях: первое - модернизация клиновой ловушки и второе - разработка принципиально нової о ловильною устройства. Ловушки должны быть минимальных габаритных размеров, которые позволяли бы захо­дить в наклонное промывочное отверстие и выдерживать большие нагрузки, исключая значительные иэгнбные напряжения


Для того чтобы в период захвата н расхажлвання бура при его подъеме снова не про­изошла потеря клиньев 2 и срыв бура была проведена модернизация клиновой ловушки. В новом варианте (рис. 3 } предусматривалось, что клинья будут перемешаться по направ­ляющим 3, которые имеют пазы для контакта с выступающей часть клиньев. При этом на­правляющие прикреплены к конической части ловушки 1 при помощи винтов 12. В свою очередь, мри поиске отверстия и вхождении в него, клинья фиксируются в верхней, кони­ческой частит ловушки с помощью охватывающей цилиндрической оболочки, которая прикреплена к охватывающему упорному фланцу 4. При взаимодействии упорного флан­ца с торцом отверстия бура оболочка раскрывается, и клинья освобождаются, при этом они могут независимо друг от друга двигаться вниз. Ход клиньев ограничен упорами, вы­полненными в нижней части ловушки, что обеспечивает надежную фиксацию клиньев в нижнем положении и невозможность их потери при ловильных работах. Не смотря на это, при ловильных работах, указанной ловушкой, не удалось захватить бур. При одной из по­пыток войти в отверстие бура одна из направляющих была сорвана, при этом было поте­ряно два клина. Как в дальнейшем оказалось, нагрузка на ловушку при поисковых работах превысила допустимую, что н привело к срезу винтов 12 и потере клиньев.

Второе принципиально новое устройство было в месячный срок разработано и изго­товлено на НРМЗ ГХК "Спецшахтобурение,н (рис. 5) [l,2J. На грузонесущем болту 2 диа­метром 75 мм с шарниром Гука 7-в смонтирована опорная плита / диаметром 260 мм и толщиною 80 мліу на которой установлен петлевой блок с тремя распорными рычагами 3 длиною 90 мм и сечением 40x70 мм. В сложенном состоянии рычаги находятся внутри цилиндрической оболочки И и не мешают вхождению ловушки в отверстие бура. После вхождения ловушки в промывочное отверстие фланец 15 оболочки корпуса ловушки упи­рался в кромки отверстия бура и при небольшой нагрузке точечная сварка крепления обо­лочки срезалась. Это позволяло рычагам при дальнейшем опускании ловушки выходитьиз защитной оболочки //, вступать в контакт со стенками промывочного отверстия и при подъеме трубы врезаться в стенки эрлифтного канала, обеспечивая необходимый контакт. Позже, после испытания захвата на площадке на аналогичном буре, защитную оболочку заменили тремя арматурными стержнями, временно соединяющими опорную плиту I с фланцем бурильной трубы 5, для блокировки шарнира ГухЕ. Эти стержни были рассчита­ны на осевую нагрузку 300 кН, достаточную для поиска отверстия ловушкой. При вхож­дении ловушки в промывочное отверстие, когда она может перемещаться под углом к оси скважины, арматурные стержни изгибаются и не мешают свободному движению ловушки в глубину отверстия. После раскрытия распорных рычагов 5 и их прижатия пружинами 4 к стенкам эрлифтноЙ трубы можно прикладывать к захвату необходимую осевую нагруз­ку. Первоначальный угол наклона рычагов не превышал ~.5а, обеспечивал необходимое трение для начала зацепления зубьев рычагов о стенки отверстия. При увеличении нагруз­ки на ловушку рычаги уменьшают свой наклон, а осевое усилие на рычаги значительно возрастает. I акую ловушку невозможно вырвать из промывочной трубы без ее разруше­ния. Таким образом, ловушку нужно было рассчитать на максимально возможное усилие при подъеме бурового инструмента с учетом его веса н динамических нагрузок.

Расчетная динамическая нагрузка на ловильное устройство находилась из условия срыва инструмента с опоры зависания. При этом использовалась волновая теория удара, позволяющая найти динамическое усилие в несущем стержне захвата [3]

N(l,t) = -PY±   Stn2\ -со5Ш, ХшШ,

где \ = М / ml - отношение массы бурового инструмента к массе отвеса бурильной тру­бы; о - kt - спектр частот собственных колебаний при скорости волны деформаций; с   5000 м/с; волновые числа А вычисляются из трансцендентного уравнения     - tgk ■ 1.

С учетом веса инструмента и динамических усилий 1У, т.е. на нагрузку 1200 кН с ко­эффициентом запаса прочности ка = 1,85 из стали 40ХН была изготовлена ловушка мас­сой около 50 кг, позволившая с первой попытки в конце августа J999 г. извлечь зависший бур массой более 100 тонн (с учетом дополнительной породы) на поверхность,

Затем началась подготовка к извлечению нижнего бура массой 60 тонн со дна скважины. Примерно на 10 л* он был засыпан породой, которую извлекли эрлифтной про­мывкой с предварительным ее разрушением при помощи ужє извлеченного бурового ин­струмента. Сложность подъема нижнего бура обусловливалась тем, что он был погружен в разрыхленную породу, препятствующую проникновению окружающей жидкости, а, следовательно, устранялась архимедова сила. После захвата нижнего бура вышеупомяну­той ловушкой бур выдерживали под нагрузкой в 1300 кН в течение четырех суток, это по­зволило проникнуть окружающей жидкости под бур и создать полпор снизу. Бур был полнят до отметки 200 М ниже уровня земли и при входе в песчаник, где возникло допол­нительное трение бура о стенки скважины, бур снова оборвался, так как диаметр эрлифт­ного отверстия был несколько больше расчетного, и рычаги захвата прорезали опорный лист бура. Но после этого, уже стандартной ловушкой, бур был, все же извлечен на по­верхность в феврале 2000 г. Это промышленное испытание разработанного трехраспорно-го захвата подтвердило его высокую надежность. Его можно повторно использовать для подъема бурового инструмента, но длину рычагов нужно изготавливать в соответствии с конкретным диаметром отверстия для запуска ловушки.

Заметим, что за последние 50 лет бурения вертикальных скважин в странах СНГ и за рубежом это была одна из сложнейших аварий. Все решения персонала по ликвидации аварии принимались на основании предположений о возможном состоянии бурового агре-гата. находящегося на глубине 800 м в промывочной жидкости. Кроме того, при располо­жении бурового агрегата, как показано на рис. 4, он был практически недоступен для за­хвата его любым стандартным ловильпым устройством, которое заводится в промывоч­ный канал, т,к. верхняя часть бура находилась в каверне за пределами отвесной линии стенки скважины. Варианты подъема, путем затяжки бура канатной петлей, полукруглы­ми захватами и др, также не могли быть осуществлены, т.к. между агрегатом и стенками скважины не было никаких зазоров. Только принципиально новое высокоэффективное ловильнос устройство, которое необходимо было разработать, могло быть заведено в от­верстие бура, расположенное за пределами отвесной линии стенки скважины. Кроме того, в этом устройстве полностью исключались изгибные напряжения, что значительно повы­шало его грузонесущую способность, а надежность захвата обеспечивалась распором ры­чагов, стремительно возрастающую при увеличении нагрузки на ловильное устройство.

 

Библиографический список

1.       Разработка ловильного устройства для ликвидации аварий при проходке вертикаль­ных скважин / Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В,, Улитин Г.М. и др. //Известия Донецкого горного института: Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля. -Донецк: ДонГТУ: №1,2000. -С.І0Е-105.

2.       Устранение аварий при проходке стволов буровой установкой системы "W1RTH" / Шевченко Ф.Л , Петтик Ю.В., Улитин Г,М. и др // Известия Донецкого горного инсти­тута: Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля -Донецк: ДонГТУ, №1,2000. -С.101-105.

3.       Шевченко Ф.Л. Будівельна механіка. Спеціальний курс. Динаміка пружних стерж-ньових систем. - Донецьк: РІА ДонДТУ, 2000. -293 с.

^Шевченко Ф.Л., ПеттикЮ.В., Улитин ГМ.. 2001

УДК 622.24.085.5 Инж. ЮШКОВ И.А.

Донецкий государственный технический университет, г, Донецк, Украина

 

МЕТОД ПОИНТЕРВАЛЬНОГО БУРЕНИЯ ПОДВОДНЫХ СКВАЖИН ПОГРУЖНОЙ ПРОБООТЬОРНОЙ УСТАНОВКОЙ

 

В Донецком государственном техническом университете осущест вляется разработка универсального комплекса бурового оборудования, предназначенного для бурения инже­нерно-геологических и разведочных скважин глубиной до 15-20 м в шельфовой зоне мо­рей [7, &].

Комплекс разработан для эксплуатации с малотоннажных буровых судов. Спускае­мая на канате с помощью грузовой стрелы буровая установка представляет собой погруж­ной снаряд, стабилизирующийся на дне с помощью складной опорной рамы. Базовый ва­риант установки предусматривает использование в качестве погружателя гидроударного механизма. Конструкция также позволяет оснащать буровой узлами для вдавливания или забивания колонкового набора.

Буровой снаряд функционирует в полуавтоматическом режиме, осуществляя после­довательно сначала бескерновое гидромониторное бурение с углублением под весом сна­ряда, затем колонковое бурение или работу геофизического оборудования. Длина бескер-нового интервала бурения варьируется в любых пределах, ограниченных лишь возможно­стью размыва грунта. Переключение режимов работы осуществляется узлом распределе-

 

 

на

Страницы:
1 


Похожие статьи

Ф Л Шевченко - Ударные процессы при спуске и посадке на забой агрегата ртб

Ф Л Шевченко - Устойчивость ретрансляционной башни

Ф Л Шевченко - Эпюры перемещения сечений невесомых стержней при растяжении-сжатии

Ф Л Шевченко - Ловильные устройства для ликвидации аварий при проходке скважин дуровыми установками

Ф Л Шевченко - Методы расчета бурильных колонн на продольный удар