Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров новых технических средств для повышения эффективности высокооборотного алмазного бурения глубоких геологоразведочных скважин

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров новых технических средств для повышения эффективности высокооборотного алмазного бурения глубоких геологоразведочных скважин"

На правах рукописи

111111111111111111

003 163142

СКЛЯНОВ Владимир Иванович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКООБОРОТНОГО АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ

СКВАЖИН

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных

работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в ПО «Норильскгеология» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель».

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор В.В. Нескоромных.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.А. Лачинян, кандидат технических наук, профессор Е.С. Булгаков.

Ведущая организация—ЗАО НПО «Гидроинжстрой».

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 г. в 16 00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.121.05 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, РГГРУ, ауд. 4-15А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета

Автореферат разослан 13 октября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета к. т. н.

А.П. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_работы. Производительность бурения

геологоразведочных скважин по мере роста глубин все в большей степени зависит от затрат времени на вспомогательные работы и ликвидацию осложнений и аварий Кроме того, скорость проходки с глубиной скважин непрерывно снижается из-за вынужденного ограничения параметров режима бурения, прежде всего частоты вращения бурильной колонны В то же время передача энергии породоразрушающему инструменту вращением всей бурильной колонны осуществляется ценой интенсивного износа последней, обусловливает повышенный расход бурильных труб и энергии, и, как следствие, удорожание метра скважины

В этой связи разработка забойного мультипликатора, обеспечивающего щадящий режим вращения основной части бурильной колонны, представляется актуальным Применение такого устройства позволит также сократить затраты энергии при одновременном повышении механической скорости бурения и, кроме того, снизить вероятность аварий с бурильными колоннами Последнее также весьма актуально. Например, в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» аварии происходят преимущественно из-за поломки бурильных труб и занимают до 3% от всего баланса времени бурения глубоких геологоразведочных скважин. Ликвидация таких аварий нередко затягивается на месяцы и не всегда заканчивается успешно В этом случае экономические издержки исчисляются многими сотнями тысяч рублей Снижение этих затрат, наряду с использованием мультипликаторов, возможно за счет разработки эффективных средств, способных сократить затраты времени и стоимость работ на развинчивание неприхваченной часта оставленных в скважине бурильных колонн в результате аварии в условиях малогабаритного скважинного пространства Разработка таких средств является также актуальной задачей, направленной на повышение эффективности буровых работ

Для создания технических средств, способных обеспечить эффективную работу забойного ускорителя частоты вращения алмазного инструмента в глубоких скважинах и развинчивание различных по размеру и конструкции бурильных колонн в условиях ограниченного скважинного пространства, необходимо устройство механической передачи, обладающее уникальными характеристиками, а именно

- способностью реализовывать достаточный для бурения и отвинчивания труб крутящий момент при малом поперечном размере;

- высокой степенью грузоподъемности (определяемой предельными глубинами геологоразведочных скважин — 2-3 тыс. метров при диаметре скважин 76-46 мм),

- высокой износостойкостью.

Анализ существующих механических передач позволил выделить из всего многообразия устройств подобного типа синусошариковую передачу, предложенную в качестве редуктора для забойных двигателей (а с №96041 СССР,МЕСИ3 Е21В 4/00,1982 г )

Проведенный анализ и конструкторская проработка устройств показали перспективность механизма на основе синусошариковой передачи как для создания забойного мультипликатора для высокочастотного алмазного бурения, так и для разработки устройства для развинчивания неприхваченной части всех типоразмеров существующих бурильных и обсадных колонн.

Диссертационная работа выполнялась в период работы автора в Иркутском отделении Всероссийского института техники разведки (ВИТР) в рамках хоздоговорных работ с Норильской комплексной геологоразведочной экспедицией ЗФ ОАО «ГМК» Норильский никель» в 1989-91 г г ив настоящее время в процессе профессиональной деятельности в качестве инженера по буровым работам ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Цель работы Повышение производительности бурения глубоких геологоразведочных скважин на основе применения нового метода передачи

вращения алмазному породоразрушающему инструменту при бурении и бурильной колонне при ликвидации аварий с использованием скважинного преобразователя

Задачи исследований

1 Провести анализ скважинных устройств и разработать технические требования к ним, обеспечивающие заданное увеличение частоты вращения породоразрушающего инструмента и увеличение крутящего момента для развинчивания свободной части прихваченных бурильных и обсадных колонн.

2 Исследовать механизм фиксации реактивного момента в стенках скважины и разработать основные требования к тормозному устройству мультипликатора и устройства для развинчивания труб в скважине (УРТ)

3 Разработать конструкцию и испытать макетный образец синусошарикового мультипликатора

4 Разработать конструкцию роторно-мультипликаторного бура (РМБ) и устройства УРТ.

5 Провести экспериментальные исследования работоспособности и уточнить основные параметры устройства УРТ в стендовых и производственных условиях.

6 Разработать основы технологии нового метода извлечения неприхваченной части труб из скважины путем развинчивания ее по частям с применением устройства УРТ

Идея работы. Создание работоспособной конструкции скважинного устройства — преобразователя частоты вращения породоразрушающего инструмента или крутящего момента вращения, обеспечивающего соответственно интенсификацию процесса бурения и облегчения развинчивания бурильной колонны при ликвидации аварии

Методика исследований. Для решения поставленных задач была использована методика исследования, включающая аналитический обзор литературных данных и патентной документации, теоретические

исследования известных механических передач с использованием методов классической механики, конструкторскую проработку и исследования экспериментальных образцов с использованием специальных стендов и математических методов анализа, испытания опытных образцов устройств в лабораторных и производственных условиях.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

- разработан новый метод извлечения свободной части прихваченной колонны труб из скважины путем развинчивания ее по частям с применением устройства УРТ.

- разработаны и обоснованы технические требования на создание забойного мультипликатора и устройства УРТ;

проведены исследования и конструкторско-технологические проработки параметров синусошариковой передачи для использования в забойных устройствах в качестве мультипликатора и реверсивного редуктора,

разработана конструкция и испытаны макетные образцы синусошарикового ускорителя для кратного повышения частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента;

- разработана схема конструкции роторно-мультипликаторного бура, в котором колонна бурильных труб связана с ведущим валом мультипликатора поступательной парой, а с заякоривающим тормозным устройством вращательной, при этом заякоривающее тормозное устройство жёстко связано с корпусом мультипликатора

- выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование принципа действия и конструкции устройства УРТ;

Научная новизна.

1 Установлена зависимость КПД от крутящего момента механической синусошариковой передачи, что позволило создать в ограниченном скважинном пространстве работоспособную конструкцию забойного мультипликатора в соответствии с эксплуатационными требованиями

2 Получена зависимость сил прижатия башмаков тормозного устройства для фиксации возникающего в процессе бурения реактивного момента забойного мультипликатора в стенках скважины от создаваемой осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, что обеспечило обоснованный выбор конструктивных параметров этого устройства

3 Выявлены закономерности изменения затрат мощности при передаче вращения с помощью скважинного преобразователя механической энергии породоразрушающему инструменту при бурении

Достоверность научных положений определяется удовлетворительной сходимостью теоретических расчетов с экспериментальными и производственными данными, положительными результатами испытаний опытных образцов в стендовых и производственных условиях

Практическая ценность работы. Практическая ценность полученных результатов состоит в разработке новой конструктивной схемы забойного мультипликатора, новой конструкции устройства для развинчивания труб в скважине и технологии извлечения свободной части прихваченной колонны труб из скважины методом развинчивания по частям с применением этого устройства

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались в НТУ «Мингео» СССР (Москва, 1988 г), на Ученом Совете ВИТРа (Ленинград, 1988 г), на НТС лаборатории синусошариковых передач Могилевского машиностроительного института (Могилев, 1989 г), на НТС ПГО «Сосновгеология» (Иркутск, 1987 г), на НТС ПО «Норильскгеология» ОАО ГМК «Норильский Никель» (Норильск, 1992 г.), на Ученом Совете Иркутского отделения ВИТРа НПО «Геотехника» (Иркутск, 1992 г), международной НТК в ТПУ (Томск, 2004 г ).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 7 опубликованных статьях и в 1 патенте на изобретение Заявка на 1 предполагаемое изобретение находится на рассмотрении в Патентном ведомстве РФ

Реализация результатов исследования. Проверка теоретических положений способа извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением разработанного устройства УРТ проводилась на производственных скважинах ЗФ ОАО ГМК «Норильский Никель»

Внедрение забойного мультипликатора для высокочастотного алмазного бурения позволит получить годовой экономический эффект в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» 3 млн руб. Внедрение технологии извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением устройства УРТ - 1млн 300 тыс. руб.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 65 наименований, содержит 148 стр. машинописного текста, 25 рисунков, 4 таблицы, и 5 приложений.

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, цели, постановке задач и выборе методики исследований

В первой главе проведен критический анализ состояния техники и технологии высокочастотного бурения, извлечения свободной части прихваченной в скважине колонны труб, определены цель и задачи исследований

Во второй главе представлены аналитические исследования нового метода передачи вращения алмазному породоразрушающему инструменту при бурении с использованием синусошарикового забойного мультипликатора; анализ влияния затрат мощности на эффективность высокочастотного бурения с применением забойного мультипликатора на различных глубинах. Представлены исследования метода передачи вращения бурильной колонне при ликвидации аварий с использованием скважинного преобразователя. Приведены разработанные конструкции роторно-мультигогакаторного бура, устройства УРТ и технические требования к ним

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям макетов волновых и синусошариковых передач, отдельных узлов устройства УРТ

Исследована зависимость значений КПД синусошарикового мультипликатора диаметром 73 мм от величины передаваемого крутящего момента Приведены результаты производственных и промышленных испытаний опытного образца устройства УРТ

В четвёртой главе изложена разработанная технология проведения работ по извлечению свободной части прихваченной колонны труб в скважине с применением устройства УРТ.

В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе и практические рекомендации

В приложении представлены прочностной расчет цилиндрического синусошарикового зацепления, акты и протоколы стендовых, заводских и производственных испытаний

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь и содействие в работе над диссертацией преподавателям кафедры технологии и техники разведки МПИ ИрГТУ (г Иркутск) и кафедры разведочного бурения РГГРУ (г Москва)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Впервые в мире (1925 г) забойный редуктор был предложен советским инженером М.А Капелюшниковым, который предназначался для работы с турбобуром. В 1930 г маслонаполненный редукторный электробур сконструировал Г.З. Налбандов В предвоенные годы вопросами создания и совершенствования редукторных забойных машин занимались также Г А Любимов, Е.Г Старцев, Н В Зорин, Н.К Архангельский, А П Островский, Н В.Александров, Н.Г Григорян, А.Л.Ильский и др

На базе зубчатых передач до серийного производства удалось довести только одно изделие — редукторную вставку к электробуру диаметром 190 мм

Попытки создания редукторных вставок малых диаметров (90-40 мм) основанные на традиционных конструкторских подходах и решений, оказались малопродуктивными.

В 1987 г. в Иркутском отделении ВИТРа автором были начаты работы по созданию устройства для развинчивания труб в скважине диаметром 76 мм, в котором применялся редуктор волнового типа В результате проведения стендовых испытаний на опытном буровом полигоне ПГО «Сосновгеология» было установлено, что созданный механизм мало пригоден для условий буровых работ

Дальнейший анализ известных материалов, технической литературы и патентных источников позволил выявить технические решения, которые могли бы послужить основой конструкции скважинного механизма для развинчивания бурильных и обсадных колонн. Наиболее перспективным решением представилось применение синусошариковой передачи, разработанной проф. Игнатищевым Р.М (Могилевский машиностр ин-т, а с 960412 СССР, МКИ3Е 21 В 4/00,1982 г.)

Синусошариковая передача (СШП) имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими передачами при использовании в ограниченном скважинном пространстве'

- валы у СШП расположены соосно,

- передача способна передавать большой крутящий момент при малом диаметре за счет увеличения рядности;

'5

- передача имеет высокий коэффициент полезного действия,

- по сравнению с зубчатыми планетарными передачами проще по конструкции;

имеет более значительный диапазон передаточных чисел, недосягаемый для волновых передач.

- не требует высокой точности при изготовлении, т к детали передачи прирабатываются в процессе эксплуатации

- более просты в обслуживании, могут работать даже при попадании бурового раствора внутрь передачи

- стоимость изготовления ниже (примерно на 20%)

Анализ состояния рассматриваемого вопроса дал возможность конкретизировать задачи настоящих исследований и позволил, в результате их теоретического решения и обработки экспериментальных данных, сформулировать следующие защищаемые положения

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Применение роторно-мультипликаторного бура позволит использовать высокооборотное бурение алмазным породоразрушающим инструментом в глубоких скважинах за счет снижения затрат мощности на вращение бурильных труб.

Исследования в области разрушения твердых горных пород алмазным инструментом, показывают, что резервы роста механической скорости бурения связаны, прежде всего, с повышением скорости перемещения алмазных резцов В то же время рост скорости резания породы, соответственно повышение частоты вращения бурильных колонн, ограничиваются реальными условиями бурового процесса Например, при бурении глубоких скважин (до 1000 м и более) алмазным породоразрушающим инструментом диаметра 76 мм, 59 мм частота вращения колонны бурильных труб не превышает 300-500 мин"1. При применяемых в настоящее время частотах вращения линейная скорость резания составляет всего 1-2 м/с и менее, что, как известно, недостаточно для реализации возможностей алмазного инструмента (рекомендуемая скорость резания не менее 5 м/с).

Зависимость технических показателей бурения от частоты вращения изучали Ф А Шамшев, М И Койфман, И А Врубель-Голубкин, Н И

Любимов, П Н. Курочкин, Г А. Блинов, В Г Кардыш, О В Иванов, Н В. Соловьев, А Г Калинин и др

Исследователи отмечают, что механическая скорость с увеличением частоты вращения непрерывно возрастает, при этом расход алмазов на 1 м бурения находится примерно на одном уровне Однако, в реальных условиях рост частоты вращения снаряда до оптимальных параметров ограничен мощностью приводов буровых станков, прочностью и повышенным износом бурильных труб, потерями при передаче энергии от поверхностного генератора до горных пород забоя.

Исследования возможности применения малогабаритных турбобуров и электробуров для высокочастотного алмазного бурения, проведенные в ВИТРе, показали, что характеристики предполагаемого турбобура диаметром 70 мм смогут обеспечить работу коронки при осевой нагрузке не более 400 кг, т е такой турбобур не будет обеспечивать рациональные режимы бурения, а электробур не будет развивать требуемой полезной мощности и требуемая осевая нагрузка на коронку превышает критическую на электробур в 1,4 раза В связи с этим проблемы, связанные с потерями тока в токопроводе, техническая сложность создания надёжного электробура не рассматривались.

Для решения этой проблемы автором разработана принципиальная кинематическая схема синусошарикового роторно-мультипликаторного бура, реализующего новый метод передачи вращения алмазному породоразрушающему инструменту при бурении, которая рекомендуется как конструкционная основа для создания экспериментальных образцов мультипликатора Данная конструкционная схема защищена патентом РФ №2261319.

Роторно-мультипликаторный бур (рис 1) состоит1 1-бурильная труба, 2-тормозной механизм (клинового действия, 3-синусошариковый мультипликатор, 4-алмазная коронка; 5-уплотнения; 6-подшипники, 7-подвижное профильное соединение (например, шлицевое) бурильной трубы 1 с ведущим валом мультипликатора 4, т.е. поступательная пара, с помощью

которой соединены бурильная колонна и ведущий вал мультипликатора; 8-резьбовое соединение корпуса мультипликатора 3 с тормозным механизмом 2.

РМБ воспринимает вращение и осевое усилие от колонны бурильных труб. Осевое усилие через элементы тормозного механизма, корпус и ведомый вал мультипликатора передается на коронку. Тормозной механизм клинового типа - аналог распорных механизмов отклонителей типа ТЗ, ОБС. Отличается тем, что усилие распора осуществляется не пружиной, а регулируемой частью осевой нагрузки, достаточной для фиксации возникающего от корпуса мультипликатора реактивного момента при бурении о стенки скважины. Одновременно обеспечивается при этом перемещение всей компоновки по скважине. Мультипликатор -ускоритель частоты вращения

синусошарикового типа, у которого ведущим валом является водило, обеспечивает повышение частоты вращения алмазного бурового инструмента, жёстко соединённого с ведомым валом мультипликатора, по сравнению с частотой вращения бурильной колонны и

привода.

Согласно схеме колонна бурильных труб нижней своей частью связана с ведущим валом мультипликатора поступательной парой (например, подвижного вдоль оси скважины шлицевого соединения), а с заякоривающим устройством - вращательной парой, например, подшипником. При этом тормозной механизм жёстко скреплен с корпусом мультипликатора.

Рис.1. Схема конструкции роторно-мультипликаторного бура.

Экспериментальная оценка КПД действующего макетного образца синусошарикового мультипликатора диаметром 73 мм была проведена на испытательном стенде кафедры теоретической механики Могилевского машиностроительного института, оборудованного измерительной аппаратурой Испытания заключались в определении крутящих моментов на корпусе мультипликатора М3 и на корпусе двигателя-нагружателя М] после включения привода входного (ведущего) вала (водила) мультипликатора и торможения выходного (быстроходного) вала мультипликатора двигателем-нагружателем

Режим испытаний

1 Частота вращения входного вала мультипликатора - 300 мин"1.

2 Частота вращения выходного (быстроходного) вала мультипликатора - 700 мин"1

3 Время одного эксперимента (из-за отсутствия охлаждения) - 10 мин, затем охлаждение.

Коэффициент полезного действия мультипликатора вычислялся по формуле:

Л = М]/(М,+М3) и, (1)

где и - передаточное число мультипликатора (для испытываемого

образца и = 2,33).

По полученным данным выведена зависимость КПД мультипликатора от величины передаваемого крутящего

момента (см рис 2), из которой следует, что с увеличением значений передаваемого

крутящего момента повышается КПД мультипликатора По результатам анализа это

М кр, Нм

Рис 2 Зависимость КПД мультипликатора от передаваемого гатящего момента

объясняется тем, что если в начальный период испытаний при минимальном крутящем моменте на ведущем валу СШП шарик соприкасается с беговыми дорожками в точках из-за погрешностей изготовления деталей, то при повышении крутящего момента эти контакты становятся более линейными (по дугам окружностей) Это происходит вследствие упругой деформации металла в нагруженных точках и явления прирабатываемости

Аналогично на КПД влияет и то, что при увеличении суммарного момента на ведущем валу многорядного СШП степень неравномерности распределения его между отдельными секциями будет уменьшаться до тех пор, пока секции не окажутся одинаково нагруженными. Очевидно, что повышение КПД при этом прекратится и значение его установится на максимально достигнутом уровне

На основании проведенных испытаний были решены следующие задачи проверена работоспособность и практическая приемлемость синусошариковой передачи для ее работы в режиме мультипликатора,

- найдены принципиальные конструкторско-технологические решения для создания многорядного синусошарикового мультипликаторного узла диаметром 73 мм (обеспечивающих сборку при сохранении конструкторской и технологической простоты устройства);

- обоснована перспективность создания промышленно работоспособной конструкции роторно-мультипликаторного бура

Для определения мощностных характеристик при передачи вращения от забойного мультипликатора породоразрушающему инструменту были проведены исследования затрат забойной мощности и выведена зависимость их от частоты вращения алмазной коронки (рис. 3) При анализе полученного графика, и сравнении с данными ВИТРа установлено, что мультипликатор РМБ для скважины диаметром 76 мм должен иметь максимально допустимую передаваемую мощность не менее 20 кВт, а крутящий момент на ведомом валу - не менее 200 Н м

N з кВт

Рис. 3. Зависимость забойной мощности N3 от частоты вращения и при бурении алмазной коронкой К-16 при осевой нагрузке Рос = 20 кН

0 250 500 750 1000

П, об/мин

Реактивный момент в тормозном устройстве Мр (соответственно и в бурильной колонне) будет равен

Мр =Мзи/ц, (2)

где Мз — крутящий момент на забое, Н м;

и — передаточное число мультипликатора; г| - КПД СШП

Проведенными исследованиями установлено, что требуемая сила прижатия башмаков тормозного устройства N находится в прямой зависимости от осевой нагрузки, частоты вращения породоразрушающего инструмента и должна удовлетворять условию:

Ы>Мр//трг, (3)

где /тр - коэффициент трения проходимых пород, г - радиус скважины

При изменении частоты вращения породоразрушающего инструмента силу Рп можно регулировать изменением угла конуса в тормозном устройстве УРТ.

Анализ производственных и расчетных данных о затратах мощности при высокочастотном алмазном бурении глубоких геологоразведочных скважин позволяет сделать вывод, что применение роторно-мультипликаторного бура эффективно с глубины 400-500 м, когда наблюдается резкий рост затрат

16

мощности при обычном бурении и приходится снижать частоту вращения бурильной колонны (см. рис. 4).

В перспективе оснащение разрабатываемой модели специальными съёмными узлами может позволить применить мультипликатор для бурения скважин с

использованием съемных керноприемников. >

Рис.4. Графики зависимости потребляемой мощности Щ., затрачиваемой на бурение комплексом КССК-76 от частоты вращения п на глубине Ь = 500 м (1); Ь =1000 м (2); I =1500 м (3). I =2000 м (4) при обычном бурении и с применением забойного мультипликатора (графики 1*; 2*; 3*;4*)

2. Эффективность применения устройства с сииусошариковым реверсивным редуктором для развинчивания свободной части прихваченной колонны бурильных или обсадных труб в скважине обусловлена соответствием техническим требованиям по условиям эксплуатации в ограниченном скважинном пространстве.

В настоящее время имеются средства и материалы, дозволяющие ликвидировать любые аварии, если на эти работы можно затрачивать неетраниченное число материалов и средств. Однако необходимо учитывать экономические факторы и добиваться ликвидации аварии в возможно короткие сроки и с минимальными затратами.

В зарубежной практике максимально возможное время на ликвидацию аварий Тл (в сутках) оценивается следующим уравнением:

Тл=(С„ + С„.с.)/Ссуг., (4)

где: Си - суммарная стоимость инструмента, оставленного в скважине; Сн. с. - суммарная стоимость по забуриванию и бурению нового ствола; Ссут. — среднесуточная стоимость работ и затраты по использованию и эксплуатации

ловильного инструмента.

га

1 I

г

ж

ф

(ф)

Рис.5. Устройство для развинчивания труб в скважине УРТ: 1 —реверсивный редуктор; 2 - якорь; 3 - механизм блокировки; 4 - шлицевой клапан дроссель

Это уравнение можно применять, если имеется возможность своевременно доставить на буровую необходимый инструмент и материалы. Соответственно и выбор эффективного метода ликвидации прихвата во многом зависит от наличия средств для его осуществления в нужный момент на буровой или на предприятии.

Применение метода отвинчивания свободной части прихваченной колонны труб по частям сдерживает то, что для его осуществления требуется колонна бурильных труб с левой резьбой, поэтому этот метод выбирают в последнюю очередь, когда другие более доступные методы не дают положительных результатов. Кроме того, при отвинчивании извлекаемых труб приходится прикладывать большой крутящий момент на страгивание (срыв) в резьбовом соединении, который может привести к поломке левой бурильной колонны и усугубить ситуацию.

Новый метод извлечения труб с применением специального устройства УРТ (рис. 5) позволяет приступить к работам по

извлечению труб методом развинчивания без дополнительных подготовительных работ Вместо колонны труб с левой резьбой используется оставшаяся рабочая колонна с правой резьбой. При этом крутящий момент на отвинчивание извлекаемых труб увеличивается на передаточное число реверсивного редуктора устройства УРТ Проведенные экспериментальные исследования и производственные испытания позволили установить особенности и порядок выполнения технологических приемов нового метода, в котором устройство УРТ заякоривается в обсадных трубах или открытом стволе (рис 6) непосредственно у места нахождения верхнего конца извлекаемой колонны труб 11 Если это место непригодно для заякоривания устройства УРТ, то есть не гарантирован надёжный контакт башмаков о стенки скважины, то для решения этой проблемы автором предлагается специальная

Рис 6 Схема работы устройства УРТ в скважине1 1 - бурильные трубы с правой резьбой, 2 - устройство УРТ, 3 - якорь 1, 4 - ненарушенный участок ствола скважины, 5 - якорь 2, 6 - ведомый вал устройства УРТ; 7 - бурильные трубы с левой резьбой, 8 - металлические накладки; 9 - левый ловильный инструмент (метчик, колокол), 10 -неустойчивый кавернозный участок ствола скважины, 11 - извлекаемые трубы

инженерная методика по выбору места в стволе скважины, пригодного для заякоривания устройства УРТ и наиболее близкого к «голове» извлекаемых труб 11. В том случае, когда верхний конец извлекаемых труб находится в нарушенном неустойчивом участке ствола скважины 10, а ненарушенный участок 4, пригодный для заякоривания устройства, находится выше, то между ловильным инструментом 9 и ведомым валом устройства УРТ 6

предусматривается включение специального удлинителя из труб с левой резьбой 7.

Если отвернуть извлекаемые трубы не удается, сбрасывают давление жидкости в рабочей колонне труб, якоря 3 и 5 освобождаются, устройство блокируется и при правом вращении левый ловильный инструмент 9 освобождается от извлекаемых труб 11

Забойные устройства характеризуются высокой концентрацией мощности на единицу площади забоя В зубчатых редукторах это приводит к большим контактным напряжениям как на зубьях, так и на рабочих поверхностях подшипника. Поэтому средний срок службы зубчатых передач не превышает 100 часов Уменьшить контактные напряжения можно путем установки на параллельную работу нескольких зубчатых рядов, но устройства для деления суммарно передаваемого момента оказываются настолько сложными, что их практически не применяют.

У СШП в отличие от зубчатых передач не наблюдается концентрация нагрузки. СШП свойственно явление прирабатываемое™ (выравнивание нагрузки между отдельными шариками при эксплуатации передачи) У СШП деление суммарного момента между отдельными секциями, поставленными на параллельную работу, достигается изготовлением продольных прорезей в наружных втулках Это позволяет проектировать СШП с достаточным запасом прочности практически на любую заранее заданную мощность Промышленные испытания показали, что срок службы СШП - на порядок выше, чем у зубчатых редукторов планетарного типа

Для создания работоспособной и надежной конструкции УРТ были выбраны и исследованы следующие основные рабочие технические параметры.

1. Максимальный крутящий момент на ведомом валу редуктора

УРТ.

Данный параметр УРТ является главным для успешного развинчивания извлекаемых трубных колонн, т к их резьбовые соединения могут быть

очень сильно затянуты и момент затяжки приближен к предельному для данного диаметра и типа труб. Максимальный момент, развиваемый на ведомом валу редуктора, должен быть приближен или равен предельному моменту затяжки для резьбовых соединений извлекаемых труб (рис 7).

Рис. 7. График зависимости предельного момента затяжки резьбового соединения бурильных труб М от их диаметра Б по ГОСТ Р 5124599

В прочностном отношении наиболее опасной деталью СШП является водило, поэтому были исследованы касательные

напряжения среза в поперечном сечении водила, которые определялись по формуле:

М

0,5 £>,

(5)

-,Па,

0,5 (я £>2-Г Ь)'

где М - максимальный крутящий момент на ведомом валу УРТ, Н см, 0Е2-наружный диаметр водила, см; Б]2-внутренний диаметр водила, см, Бг-средний диаметр водила, см; 1-число оконных проемов в синусошариковом ряду, Ь-ширина оконного проема, см.

Результаты исследований предельных значений касательных напряжений водила позволили создать конструкцию водила с трехкратным запасом прочности при реализации максимального крутящего момента согласно техническим требованиям

2. Напряжения изгиба.

В момент отвинчивания затянутых резьбовых соединений извлекаемых труб с помощью устройства УРТ, находящегося в разработанном стволе скважины (диаметр разработанного ствола скважины берется по максимальному диаметру выхода якорных башмаков устройства УРТ), будут возникать напряжения изгиба, которые могут вывести из строя устройство УРТ Для предупреждения этого в устройстве УРТ предусмотрено применение двух якорей, которые своими башмаками будут воспринимать изгибающий момент, а расстояние между якорями определяется опытным путем.

3. Грузоподъемность и предельные нагрузки на растяжение.

Растягивающие осевые нагрузки возникают при натяжении рабочей

бурильной колонны для перенесения нулевого сечения к верхней границе прихвата в момент отвинчивания извлекаемой колонны труб, при ее расхаживании и при одновременной работе с ударными механизмами или вибраторами Наибольшими растягивающие нагрузки будут в верхнем сечении рабочей бурильной колонны. Максимальная допускаемая нагрузка на растяжение в устройстве УРТ зависит от количества рядов и шариков в одном ряду синусошарикового зацепления Благодаря такому устройству СШП может выдерживать большие осевые нагрузки Для уменьшения осевых нагрузок в СШП, а также повышения работоспособности и надежности, в конструкции УРТ предусмотрен шариковый подшипник Характер нагрузки- со значительными толчками и вибрациями, кратковременными перегрузками до 2 номинальных нагрузок (максимальной растягивающей) с коэффициентом безопасности Кб = 2,5.

4. Нагрузки на сжатие.

Сжимающие нагрузки на устройство УРТ определяются весом рабочей бурильной колонны и действием осевой нагрузки от гидравлической системы бурового станка во время навинчивания на извлекаемые трубы при

недостаточном весе рабочей колонны или расхаживания после соединения с извлекаемой колонной.

5. Избыточное давление в гидроприводе. Для удержания реактивного момента, возникающего в устройстве УРТ при отвинчивании извлекаемых труб необходимо, чтобы сила трения между прижатыми башмаками якорей и стенками скважины Rf превосходила окружную силу смещения башмаков .Р, возникающую от реактивного момента Мр Условие работоспособности тормозного устройства определено в виде зависимости.

Д/> Р. (6)

Необходимая сила прижатия башмаков к стенкам скважины N (нормальное давление) определена из формулы .

Ы = КР0//тр, (7)

где. К - коэффициент запаса сцепления, для силовых передач К = 1,25-1,5,

/тр - коэффициент трения покоя ( для стали по породе/ = 0,3),

Р0 -окружная сила, Н

Усилие Г определено из соотношения*

= 2Мр / Д (8)

где И — поперечный размер (диаметр) максимального выхода башмаков,

м

В конструкции тормозного механизма устройства УРТ заякоривающие башмаки выдвигаются клиновыми распирателями, перемещающимися под действием избыточного давления жидкости, поступающей из бурильных труб в полости гидропривода якорей Сила прижатия заякоривающих башмаков будет зависеть от угла клина, площади торца клинового распирателя, на который давит жидкость, и от величины давления самой жидкости.

В результате, экспериментально-теоретических исследований, конструкторской проработки и производственных испытаний в ПО

«Норильскгеология» сформулированы следующие основные технические требования к устройству УРТ для применения в скважинах диаметром 76 мм:

- диаметр устройства не более 75 мм;

- выход тормозных элементов по диаметру не менее 90 мм;

- максимальный крутящий момент не менее 2,5 кН-м;

- допускаемые осевые нагрузки: на растяжение не менее 100 кН; на сжатие не менее 180 кН.

- передаточное число редуктора 3-5.

- избыточное давление в гидроприводе не менее 9,8-105 Па

Для передачи необходимого крутящего момента в конструкции устройства УРТ применена схема синусошарикового реверсивного редуктора с заторможенным водилом и многорядным зацеплением (рис. 8).

Редуктор работает следующим образом. При правом вращении ведущего вала 2 приводятся в движение шаровые сателлиты 9, которые, взаимодействуя с оконными проёмами водила 3 и синусоидальными беговыми дорожками охватывающих втулок 4, заставляют последние вращаться в левую сторону при заторможенном водиле. Эксперименты с различным исполнением деталей синусошарикового узла позволили выбрать наиболее приемлемую схему его компоновки.

Рис. 8. Синусошариковый редуктор в устройстве для развинчивания труб в скважине (УРТ): 1 - корпус; 2 - ведущий вал; 3 - водило; 4 - охватывающие втулки; 5 - винты; 6 - обойма подшипников; 7 - кольца; 8 - пробки для ввода

шариков; 9 - шариковые сателлиты, 10 - гайка; 11 - пеньковое сальниковое уплотнение

Руководствуясь техническими требованиями, при расчетах принято число периодов ведущей синусоиды Zi=l, число периодов ведомой синусоиды Z3=4, число полного комплекта шариков в одном синусошариковом ряду t=5 (принята первая группа точек пересечения синусоид) Принятым соотношением соответствует передаточное число:

а>

= -4, (9)

где- coi - частота вращения ведущего вала;

Шз - частота вращения ведомого вала.

Проведенные стендовые и производственные испытания синусошарикового редуктора диаметром 73 мм полностью подтвердили соответствие его вышеуказанным техническим требованиям

Опытный образец разработанного устройство УРТ прошел испытания в производственных условиях с положительным результатом и в настоящее время по результатам испытаний скорректирована рабочая техническая документация, подготовлены методические указания по реализации способа отвинчивания и извлечения аварийной колонны и подана заявка на предполагаемое изобретение № 2007116352/20(017786) от 03.05 2007 г. «Способ извлечения труб из скважины и устройство для его осуществления»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача по обоснованию основных параметров забойных устройств для высокочастотного алмазного бурения (роторно-мультипликационный бур) и для ликвидации прихватов при ремонтных

работах по развинчиванию и извлечению из скважины бурильных и обсадных колонн (УРТ)

Данные забойные устройства, а также предложенный способ производства ремонтных работ с применением разработанного устройства УРТ, обеспечивают повышение эффективности буровых работ, особенно при проходке глубоких геологоразведочных скважин Это достигается благодаря увеличению механической скорости бурения при одновременном снижении затрат мощности на бурение и нагрузок на бурильную колонну, а также снижении затрат времени и средств на производство работ по извлечению из скважины аварийных колонн.

Основные выводы и рекомендации.

1 Исследованы известные механические передачи на предмет использования в скважинных устройствах. По техническим параметрам и условиям эксплуатации в ограниченном скважинном пространстве обосновано применение синусошариковой передачи цилиндрического типа, которую можно рекомендовать при проектировании скважинных устройств.

2 Разработанная конструкция роторно-мультипликаторного бура для высокочастотного алмазного бурения обеспечивает повышение частоты вращения ведомого вала на передаточное число мультипликатора (в 2-3 раза), что подтверждено испытанием экспериментальных образцов в стендовых условиях.

3 При проектировании роторно-мультипликаторного бура в качестве механизма фиксации обратного момента о стенки скважины получена зависимость сил прижатия башмаков тормозного устройства в стенках скважины от создаваемой нагрузки на забой На основании этой зависимости можно рекомендовать известные системы стабилизации статора отклонителей типа ТЗ, Кедр, ОБС для направленного бурения, работоспособность которых подтверждена длительной практикой эксплуатации данных отклонителей.

4 Анализ методов ликвидации прихватов бурового инструмента, обеспеченности необходимыми техническими средствами и материалами, позволил сделать вывод о необходимости создания специального скважинного устройства для развинчивания неприхваченной части трубных колонн и разработки технологических приемов работы с таким устройством

5. Разработанные основные параметры технологических приемов извлечения прихваченных труб из скважины путем развинчивания колонны по частям с использованием устройства УРТ позволят приступать к работам по извлечению оставленных в скважине колонн практически сразу, т. к не требуется проведение дополнительных подготовительных работ, доставка необходимых материалов и технических средств (например, специальных бурильных колонн с левой резьбой).

6 После проведенных теоретических расчётов получена и апробирована в стендовых и производственных условиях конструкция устройства для развинчивания труб в скважине на основе синусошарикового редуктора УРТ, позволяющая в ограниченном диаметре скважины передавать большой крутящий момент на ловильный инструмент (метчик, колокол), в то же время обладающая достаточными грузоподъемностью и ресурсом.

7 Разработанная инженерная методика выбора места для заякоривания устройства УРТ позволяет расширить область применения его в скважинах с открытым стволом, имеющим участки с кавернами, желобами, большую разработку основному стволу

8 Внедрение технологии извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением устройства УРТ позволит получить годовой экономический эффект в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» 1млн. 300 тыс руб, а внедрение забойного мультипликатора для высокочастотного алмазного бурения - 3 млн руб.

Список работ по теме диссертации:

1 Склянов В И Синусошариковый реверсивный редуктор для развинчивания труб в скважине «Геология, поиски и разведка полезных

27

ископаемых и методы геологических исследований». Сборник избранных трудов научно-технической конференции Иркутск изд-во ИрГТУ, 2003 г, вып 3 - с 189-192

2. Склянов В И Синусошариковый реверсивный редуктор для развинчивания труб в скважине «Объединенный научный журнал» - М., изд «Тезарус» 2003 г., №11 - с 60-66

3 Склянов В И Забойный мультипликатор для повышения эффективности алмазного бурения Сборник избранных трудов научно-технической конференции Иркутск изд-во ИрГТУ, 2004 г, вып 4 - с. 35-35

4 Склянов В И Разработка синусошариковой передачи для использования в забойных устройствах «Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири» Сборник научных трудов Иркутск изд-во ИрГТУ, 2004 г, вып 4 - с 204-209

5 Склянов В И, Нескоромных В В Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин Сборник докладов международной научно-технической конференции. Томск. Изд-во ТПУ, 2004 г - с 72-74

6 Патент РФ №2261319 МПК7Е 21В 4/20. Роторно-мультипликаторный бур/ Склянов В И, В В Нескоромных, В Н Кузнецов, Р М Игнатшцев. Опубл. в бюллетене №27,2005 г

7 Склянов В И Теоретические и экспериментальные исследования по разработке технических средств для повышения эффективности процесса бурения скважин / Горный информационно-аналитический бюллетень -2007 - № 4

Подписано в печать 11. V)' 2007 г Объем^О пл Тираж А О О экз Заказ № 123

Редакционно-издательский отдел РГГРУ Москва, ул Миклухо-Маклая, 23

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Склянов, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА И СРЕДСТВ ПРОИЗВОДСТВА РЕМОНТНЫХ РАБОТ В СКВАЖИНАХ 14 1.1. Устройства для повышения частоты вращения бурового инструмента при высокооборотном бурении скважин алмазным инструментом

1.2 Устройства для снижения частоты вращения и повышения крутящего момента бурового инструмента при проведении буровых и ремонтных работ

1.3. Современные способы и средства ликвидации прихватов, извлечение неприхваченной части трубных колонн из скважины

1.4. Постановка задач исследований

2.1. Перспективы применения синусошариковой передачи в забойном мультипликаторе для высокооборотного бурения алмазным

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И

РАБОТОСПОСОБНОСТИ МЕХАНИЗМОВ НА ОСНОВЕ

СИНУСОШАРИКОВОИ ПЕРЕДАЧИ инструментом

2.1.1. Влияние частоты вращения на технико-экономические показатели бурения

2.1.2. Мощность, затрачиваемая на забое скважины, в роторномультипликаторном буре, на вращение бурильной колонны и в буровом станке

2.1.3. Синусошариковый роторно-мультипликаторный бур принципиально новое конструктивное решение, способное обеспечить существенный рост механической скорости алмазного бурения твёрдых пород

2.2. Обоснование и расчёт основных рабочих параметров устройства

2.3. Исследования и конструкторско-технологические проработки синусошариковой передачи для использования в забойных устройствах

2.4. Конструкция устройства УРТ

ГЛАВА 3. ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Стендовые исследования макетов мультипликатора и устройства УРТ

3.1.1. Экспериментальная оценка работоспособности и КПД макетного образца синусошарикового мультипликатора

3.1.2. Стендовые исследования макетов отдельных узлов устройства УРТ

3.1.3. Заводские испытания опытного образца устройства для развинчивания труб в скважине УРТ

3.2. Производственные испытания опытного образца устройства

3.3. Промышленные испытания опытного образца устройства для развинчивания труб в скважине УРТ

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ ПО ИЗВЛЕЧЕНИЮ ПРИХВАЧЕННЫХ ТРУБ В СКВАЖИНЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ УСТРОЙСТВА УРТ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров новых технических средств для повышения эффективности высокооборотного алмазного бурения глубоких геологоразведочных скважин"

Актуальность работы. Совершенствование бурового оборудования является основой развития возможностей и эффективности буровых технологий. Особенно актуальной является задача повышения эффективности бурения глубоких геологоразведочных скважин, при проходке которых значительный объем времени затрачивается на вспомогательные работы и ликвидацию осложнений, а скорость проходки снижается еще и из-за вынужденного ограничения параметров режима бурения, прежде всего частоты вращения.

В то же время эффективное применение алмазного бурения в твердых горных породах неразрывно связано с возможностью реализации высоких частот вращения бурильной колонны, т.к. при этом существенно увеличивается механическая скорость бурения. Однако ограниченная мощность буровой установки, предельная прочность бурильных труб, кривизна и состояние ствола скважины не позволяют безаварийно бурить на высоких частотах вращения бурового инструмента. Кроме того, при бурении на больших глубинах значительно повышается износ оборудования, работающего на пределе своих мощностей, бурильных труб, а большая часть передаваемой к забою энергии расходуется на преодоление трения деформированной колонны о стенки скважины, что накладывает еще более жесткие ограничения на возможный диапазон реализуемой частоты вращения инструмента.

Применение забойных гидродвигателей и электробуров потенциально могло бы устранить отмеченные недостатки, но при этом, как известно из практики применения подобных технических средств, затрудняется регулирование параметров режима бурения, требуется существенное увеличение давления в нагнетательной линии при применении гидродвигателей, а использование электробура усложняет процесс бурения из-за необходимости передачи электроэнергии к забою.

В связи с вышесказанным представляется актуальной разработка забойного мультипликатора, который устанавливается в нижней части колонны бурильных труб и обеспечивает кратное увеличение частоты вращения алмазного инструмента в сравнении с частотой привода и бурильной колонны. В состав забойного мультипликатора входит механическая передача, работающая в режиме ускорителя частоты вращения и механизм фиксации реактивного момента о стенки скважины.

В процессе производства буровых работ, особенно при бурении глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях, имеют место обрывы и прихваты бурильных труб, разрушение обсадных колонн, приводящие к авариям. Например, в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» аварии занимают 2,5-3,0% от всего баланса времени бурения скважин различного назначения, ликвидация которых в отдельных случаях затягивается на месяц и не всегда оканчивается успешно. В этом случае экономические издержки исчисляются многими сотнями тысяч рублей. Значительный объём работ в различных сферах горного производства и нефтегазодобычи связан с ремонтом эксплуатационных скважин различного назначения.

В связи с этим разработка эффективных технических средств, способных сократить затраты времени на развинчивание неприхваченной части трубных колонн в условиях малогабаритного скважинного пространства представляется также актуальной задачей.

Для создания эффективного технического средства, способного обеспечить развинчивание различных по размеру и конструкции трубных колонн в условиях ограниченного скважинного пространства необходимо устройство механической передачи, обладающее уникальными характеристиками, а именно: способностью реализовать высокий и достаточный для отвинчивания крутящий момент при малом поперечном размере;

- высокой степенью грузоподъёмности (определяемой предельными глубинами геологоразведочных скважин - 2-3 тыс. метров при диаметрах 76,59,46 мм;

- высокой износостойкостью.

Анализ существующих механических передач позволил выделить из всего многообразия устройств подобного типа синусошариковую передачу, созданную проф. Игнатищевым P.M. (Могилёвский машиностроительный институт) и впервые предложенной в качестве редуктора для забойных двигателей (а. с. 960412 СССР, МКИ3 Е 21 В 4/00 1982г) при бурении скважин на нефть и газ.

Создание аналогичных устройств и технологий их применения для условий бурения скважин позволят:

- сократить время на ликвидацию аварий, связанных с прихватами инструмента;

- уменьшить годовую потребность в бурильных и обсадных трубах за счёт извлечения из скважин прихваченных труб и их дальнейшего использования;

- снизить транспортные расходы по доставке бурильных труб;

- повысить эффективность ремонтных работ по замене обсадных и эксплуатационных колонн в скважине и снизить трудозатраты па их проведение.

Ожидаемый экономический эффект только по объёму бурения в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» можно оценить, используя следующие данные.

Затраты на бурение по данным 2002 года составили около 311177 тыс. рублей. При этом было затрачено 141196 станко-часов. На ликвидацию аварий было затрачено 8995 станко-часов, что составляет около 6,4 % от времени бурения. Аварии делятся на прихваты, обрывы и прочие аварии, поэтому, если взять на ликвидацию прихватов третью часть от времени на ликвидацию аварий, то это составит 2,13 % или в денежном выражении: 311177 x0,0213 = 6628 тыс. руб.

Проведённый анализ и конструкторская проработка показали перспективность механизма на основе синусошариковой передачи как для создания забойного мультипликатора для высокооборотного алмазного бурения так и для создания устройства для развинчивания неприхваченной части всех типоразмеров существующих бурильных, обсадных и эксплуатационных колонн

Таким образом, в диссертации решается актуальная задача и предложены конструкции перспективных технических средств, развивающие номенклатуру эффективных устройств производства буровых работ, дающие новое направление в развитии техники и технологии бурения скважин, в частности с использованием высокочастотного алмазного бурения и производства ремонтных работ в скважине.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской тематики, которая выполнялась в период работы автора в Иркутском отделении Всероссийского института техники разведки (ВИТР) по хоздоговорным работам с Норильской комплексной геологоразведочной экспедицией ЗФ ОАО «ГМК « Норильский Никель» в 1989-1991 годах и в настоящее время в процессе профессиональной деятельности в качестве инженера по буровым работам ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель»

Цель работы. Повышение производительности бурения глубоких геологоразведочных скважин на основе применения нового метода передачи вращения алмазному породоразрушающему инструменту при бурении и бурильной колонне при ликвидации аварий с использованием скважинного преобразователя.

Задачи исследований

1. Провести анализ скважинных устройств и разработать технические требования к ним, обеспечивающие заданное увеличение частоты вращения породоразрушающего инструмента и увеличение крутящего момента для развинчивания свободной части прихваченных бурильных и обсадных колонн.

2. Исследовать механизм фиксации реактивного момента в стенках скважины и разработать основные требования к тормозному устройству мультипликатора и устройства для развинчивания труб в скважине (УРТ).

3. Разработать конструкцию и испытать макетный образец синусошарикового мультипликатора.

4. Разработать конструкцию роторно-мультииликаторного бура (РМБ) и устройства УРТ.

5. Провести экспериментальные исследования работоспособности и уточнить основные параметры устройства УРТ в стендовых и производственных условиях.

6. Разработать основы технологии нового метода извлечения неприхваченной части труб из скважины путем развинчивания её но частям с применением устройства УРТ.

Идея работы. Создание работоспособной конструкции скважинного устройства - преобразователя частоты вращения породоразрушающего инструмента или крутящего момента вращения, обеспечивающего соответственно интенсификацию процесса бурения и облегчения развинчивания бурильной колонны при ликвидации аварии.

Методика исследования. Для решения поставленных задач была использована методика исследования, включающая аналитический обзор литературных данных, теоретические исследования известных механических передач с использованием методов классической механики, исследования экспериментальных образцов с использованием специальных стендов, математических методов анализа и получение расчётных зависимостей, испытания в лабораторных и производственных условиях.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем: разработан новый метод извлечения свободной части прихваченной колонны труб из скважины путем развинчивания ее по частям с применением устройства УРТ.

- разработаны и обоснованы технические требования на создание забойного мультипликатора и устройства УРТ;

- проведены исследования и конструкторско-технологические проработки параметров синусошариковой передачи для использования в забойных устройствах в качестве мультипликатора и реверсивного редуктора;

- разработана конструкция и испытаны макетные образцы синусошарикового ускорителя для кратного повышения частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента;

- разработана схема конструкции роторно-мультипликаторного бура, в котором колонна бурильных труб связана с ведущим валом мультипликатора поступательной парой, а с заякоривающим тормозным устройством вращательной, при этом заякоривающее тормозное устройство жёстко связано с корпусом мультипликатора.

- выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование принципа действия и конструкции устройства УРТ;

Научная новизна.

1. Установлена зависимость КПД от крутящего момента механической синусошариковой передачи, что позволило создать в ограниченном скважинном пространстве работоспособную конструкцию забойного мультипликатора в соответствии с эксплуатационными требованиями

2. Получена зависимость сил прижатия башмаков тормозного устройства для фиксации возникающего в процессе бурения реактивного момента забойного мультипликатора в стенках скважины от создаваемой осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, что обеспечило обоснованный выбор конструктивных параметров этого устройства.

3. Выявлены закономерности изменения затрат мощности при передаче вращения с помощью скважинного преобразователя механической энергии породоразрушающему инструменту при бурении.

Достоверность научных положений определяется удовлетворительной сходимостью теоретических расчётов с экспериментальными и производственными данными, положительными результатами испытаний опытных образцов в стендовых и производственных условиях.

Практическая ценность работы. Практическая ценность полученных результатов состоит в разработке новой конструктивной схемы забойного мультипликатора, новой конструкции устройства для развинчивания труб в скважине и технологии извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением этого устройства.

Защищаемые научные положения.

1. Применение роторно-мультипликаторного бура, позволит использовать высокооборотное бурение алмазным породоразрушающим инструментом в глубоких скважинах за счет снижения затрат мощности на вращение бурильных труб.

2. Эффективность применения устройства с синусошариковым реверсивным редуктором для развинчивания свободной части прихваченной колонны бурильных или обсадных труб в скважине обусловлена соответствием техническим требованиям по условиям эксплуатации в ограниченном скважинном пространстве.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались в НТУ «Мингео» СССР (Москва, 1988); на Ученом Совете ВИТРа (Ленинград, 1988); на НТС лаборатории синусошариковых передач Могилёвского машиностроительного института (Могилёв, 1989); на НТС ПГО «Сосновгеология» (Иркутск, 1987); на НТС ПО «Норильскгеология» ОАО ГМК «Норильский Никель» (Норильск, 1992); на Учёном Совете Иркутского отделения ВИТРа НПО «Геотехника» (Иркутск, 1992); международной НТК в ТПУ (Томск, 2004 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 7 опубликованных статьях и в 1 патенте на изобретение. Заявка на 1 предполагаемое изобретение находится на рассмотрении в Патентном ведомстве РФ.

Реализация результатов исследования. Проверка теоретических положений способа извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением разработанного устройства УРТ проводилась на производственных скважинах ЗФ ОАО ГМК «Норильский Никель».

Внедрение забойного мультипликатора для высокочастотного алмазного бурения позволит получить годовой экономический эффект в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» 3 млн. руб. Внедрение технологии извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением устройства УРТ - 1млн. 300 тыс. руб.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 65 наименований, содержит 148 стр. машинописного текста, 25 рисунков, 4 таблицы, и 5 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Склянов, Владимир Иванович

Основные выводы и рекомендации.

1. Исследованы известные механические передачи на предмет использования в скважинных устройствах. По техническим параметрам и условиям эксплуатации в ограниченном скважинном пространстве обосновано применение синусошариковой передачи цилиндрического типа, которую можно рекомендовать при проектировании скважинных устройств.

2. Разработанная конструкция роторно-мультипликаторного бура для высокочастотного алмазного бурения обеспечивает повышение частоты вращения ведомого вала на передаточное число мультипликатора (в 2-3 раза), что подтверждено испытанием экспериментальных образцов в стендовых условиях.

3. При проектировании роторно-мультипликаторного бура в качестве механизма фиксации обратного момента о стенки скважины получена зависимость сил прижатия башмаков тормозного устройства в стенках скважины от создаваемой нагрузки на забой. На основании этой зависимости можно рекомендовать известные системы стабилизации статора отклонителей типа ТЗ, Кедр, ОБС для направленного бурения, работоспособность которых подтверждена длительной практикой эксплуатации данных отклонителей.

4. Анализ методов ликвидации прихватов бурового инструмента, обеспеченности необходимыми техническими средствами и материалами, позволил сделать вывод о необходимости создания специального скважинного устройства для развинчивания неприхваченной части трубных колонн и разработки технологических приёмов работы с таким устройством.

5. Разработаны основные параметры технологических приемов извлечения прихваченных труб из скважины путем развинчивания колонны по частям с использованием устройства УРТ позволяет приступать к работам по извлечению оставленных в скважине колонн практически сразу, т. к. не требуется проведение дополнительных подготовительных работ, доставки необходимых материалов и технических средств (например, специальных бурильных колонн с левой резьбой).

6. После проведённых теоретических расчётов получена и апробирована в стендовых и производственных условиях конструкция устройства для развинчивания труб в скважине на основе синусошарикового редуктора УРТ, позволяющая в ограниченном диаметре скважины передавать большой крутящий момент на ловильный инструмент (метчик, колокол), в то же время обладающая достаточными грузоподъемностью и ресурсом.

7. Разработанная инженерная методика выбора места для заякоривания устройства УРТ позволяет расширить область применения его в скважинах с открытым стволом, имеющим участки с кавернами, желобами, большую разработку основному стволу.

8. Внедрение технологии извлечения труб из скважины методом развинчивания по частям с применением устройства УРТ позволит получить годовой экономический эффект в ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» 1млн. 300 тыс. руб., а внедрение забойного мультипликатора для высокочастотного алмазного бурения - 3 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача по обоснованию основных параметров забойных устройств для высокочастотного алмазного бурения (роторно-мультипликационный бур) и для ликвидации прихватов при ремонтных работах по развинчиванию и извлечению из скважины бурильных и обсадных колонн (УРТ).

Данные забойные устройства, а также предложенный способ производства ремонтных работ с применением разработанного устройства УРТ, обеспечивают повышение эффективности буровых работ, особенно при проходке глубоких геологоразведочных скважин. Это достигается благодаря увеличению механической скорости бурения при одновременном снижении затрат мощности на бурение и нагрузок на бурильную колонну, а также снижении затрат времени и средств на производство работ по извлечению из скважины аварийных колонн.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Склянов, Владимир Иванович, Москва

1. Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M. и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. -М., Недра, 1981, 232с.

2. Гусман М.Т., Любимов Б.Г. и др. Расчёт, конструирование и эксплуатация турбобуров. М., Недра, 1976, 368с.

3. Теория механизмов и механика машин: Учеб. для втузов / К.В.Фролов, С.А.Попов, А.К.Мусатов и др.; Под ред. К.В.Фролова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1998. -496 е.: ил.

4. Планетарные передачи: Справ. / под ред. В.Н.Кудрявцева, Ю.Н.Кудряшова. Л.: Машиностроение, 1977. - 535 е.: ил.

5. Плеханов Ф.И. Особенности проектирования планетарных передач с квазиэвольвентным внутренним зацеплением сателлита // Вестник машиностроения. 2002. - № 8. -С. 3-5.

6. Заблонский К.И. Встроенные редукторы / К.И. Заблонский,

7. A.Е.Шустер. Киев Техшка, 2004 - 176 е.: ил.

8. Пат. 2906143 USA, HD 47. Strain Wave Gearing / С. Walton Musser (USA). №2906143; Заявлено 10.01.55; Опубл. 29.09.59, Бюл. № 10 - 6 е.: ил.

9. Решетов Д.Н. Детали машин: Учеб. для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 е.: ил.

10. Алмазно-планетарный бур. / С.Н.Игнатов, В.Ф.Атаманов,

11. B.А.Сагинов и др. В кн.: Механизация очистных и подготовительных работ. Ч. 1, Караганда, изд. КПТИ, 1969, с. 173-177.

12. А.с. 866090, СССР. Устройство для бурения скважин, 1981.

13. П. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород. / А.Ф.Кичигин, С.Н.Игнатов, Ю.И.Климов и др. -М., Недра, 1980, 159с.

14. Разработать забойный мультипликатор для повышения эффективности алмазного бурения / Склянов В.И., Якунин Л.Б., Воронова Л.К. и др. // Отчёт № 01890067304, Иркутское отделение ВИТР, 1989, 97с.

15. Иванов М.Н. и др. Волновые передачи (Рекомендации по инженерным расчетам). М., ВНИИТЭМР, 1986.

16. Шувалов С.А. Методические указания по расчету волновых зубчатых передач на ЭВМ. М., МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1987.

17. Вадецкий Ю.В., Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1985.-421 с.

18. Вадецкий Ю.В., Игнатищев P.M., Макаревич Д.М. и др. Забойные синусошариковые редукторные вставки, применяемые в бурении скважин. -М.: ВНИИОЭНГ, 1988, вып. 1.

19. А. с. 960412, СССР. Синусошариковый редуктор для забойных двигателей/Р.М. Игнатищев, A.M. Гребень, В.Д. Резников и др. (СССР). -Бюл. № 35, 1982.

20. Игнатищев P.M. Общие сведения о синусошариковых передачах / / Вестник машиностроения. 1986 - №2. - С.24-28.

21. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при ихстроительстве и эксплуатации: Справ, пособие: В 6 т. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - Т. 1. - 510 с.

22. Булатов А.И. Современное состояние техники и технологии предупреждения и ликвидации прихватов колонн труб/ /ЫТС. Сер. Бурение. -М.: ВНИИОЭНГ. 1974. - № 10. -С.6-12.

23. Инструкция по борьбе с прихватами колони труб при бурении скважин. -М: Недра, 1976.

24. Самотой А.К. Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин. -М.: Недра, 1979.

25. Тезисы докладов и сообщений на Всесоюзном совещании па тему: «Проблема прихватов, способы их предупреждения и ликвидации». -Краснодар: ВНИИКРнефть, 1973.

26. Войцеховский А.П. Перепад давления как причина прихватов бурильных труб / / Новости нефтяной техники. 1960. - №1. - С. 13-18.

27. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. -М: Недра, 1995.-Т. 1-4.

28. Дашдамиров Ф.А., Шамсиев А.А. Причины прихвата инструмента при бурении / / Азербайджанское нефтяное хозяйство.- 1959. -№12.-С. 12-17.

29. Сулейманов А.Б., Карапетов В.А., Яшин А.С. Техника и технология капитального ремонта скважин. М.: Недра, 1987.

30. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. М.: Недра, 1988.

31. Пустовойтенко И.П. Аварии в бурении. М.: Недра, 1965.

32. Коломоец А.В. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. М. : Недра, 1985, 200 с.

33. Кемп Г. Ловильные работы в нефтяных скважинах. Техника и технология: Пер. с англ. / Пер. Т.П. Шульженко. М.: Недра, 1990.

34. Пат. 4314 РБ, МПК7 Е 21В 23/04. Устройство для отвинчивания труб в скважине / Р.М.Игнатищев, Д.М.Макаревич, М.А.Лустенков (РБ). -№ а19990114; Заявлено 10.02.99; Опубл. 30.04.02, Бюл. № 1(32). С. 142143.

35. Лустенков М.Е. Устройство для отвинчивания бурильных труб / МогМИ // Отчеты НИР, ОКР, OTP, деп., науч. рукоп.: Реф. сб. неопубл. работ. Мн.: БелИСА, 1999. - Вып. 3 (14). - С. 89. - Деп. в БелИСА 4.08.1999, №Д 199986.

36. Лустенков М.Е.,Макаревич Д.М. Планетарные шариковые передачи цилиндрического типа Могилев : Бел.- Рос. ун-т, 2005. - 123 е.: ил.

37. ГОСТ Р 51245-99. Трубы бурильные стальные универсальные. Общие технические условия.

38. Иванов О.В., Горин В.Н. Исследование возможности использования твердости горных пород по штампу для оценки их сопротивления при бурении алмазными коронками.- НТС «Методика и техника разведки», 1972, № 78, с. 41-46.

39. Беляков В.И., Блинов Г.А., Иванов О.В. Исследование упругих колебаний породоразрушающего инструмента. Л., ОНТИ ВИТР, 1974, с. 1525.

40. Владиславлев B.C. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Гостоптехиздат, 1958, с. 252.

41. Иванов О.В. Дисперсионный анализ параметров режима бурения.- НТС «Методика и техника разведки», 1973, № 83, с 74-80.

42. Блинов Г.А., Буркин Л.Г., Володин О.А. и др. Техника и технология высокоскоростного бурения. М., Недра, 1982, 408с.

43. Соловьев Н.В., Чихоткин В.Ф.,Богданов Р.К., Закора А.П. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. М: ВНИИОЭНГ, 1997.

44. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев II.B. Разведочное бурение: Учеб. Для вузов. М.: ООО «Недра-Бизнесцейтр», 2000.-748 е.: ил.

45. Исаев М.И., Пономарев П.В. Основы прогрессивной технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин. М., Недра, 1975.

46. Корнилов Н.И., Блинов Г.А., Курочкин П.Н. Технология бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом на высоких скоростях вращения. М., Недра, 1978.

47. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В.,Окмянский А.С. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин за рубежом. М.: Недра, 1989. -256 с.

48. Голиков С.И., Онищин Р.А., Шумов JI.A. Буровое оборудование фирм «Крелиус», «Атлас Копко» и «Боррос» для геологоразведочных работ. Техника и технология бурения; организация производства. - М.: ВИЭМС, 1984.

49. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В.,Окмянский А.С. Энергоёмкость бурения геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1984. 200 с.

50. Кардыш В.Г., Окмянский А.С., Арифулин С.А. Молчанов В.И. Методические рекомендации по расчёту затрат мощности на бурение геологоразведочных скважин малого диаметра. М., СКБ НПО «геотехника» Мингео СССР, 1977.

51. Григорьев В.В. Энергетические затраты при бурении со съемными керноприемниками. В кн.: Техника и технологиягеологоразведочных работ; организация производства. М., ВИЭМС, 1976, №18, с. 1-13.

52. Основные направления исследований и технических средств бурения снарядом со съемным керноприемником КССК-76/Б.С. Минкин, A.M. Никаноров, О.В. Смирнов, С.А.Угаров.- Методика и техника разведки, 1981, № 137, с. 9-11.

53. Справочное руководство мастера геологоразведочного бурения / Г.А. Блинов, В.И. Васильев, Ю.В. Бакланов и др. Л.: Недра, 1983. 400 с.

54. Зиненко В.П. Направленное бурение. Учеб. пособие для вузов. -М.: Недра,1990. с. 91-97.

55. Нескоромных В.В., Костин Ю.С. Теоретические основы механики разрушения и проектирования техники и технологии направленного бурения анизотропных пород. Иркутск: изд-во ИрГТУ. -2000. -220 с.

56. А.с. № 2004118896/03, Е21В4/20, 22.04.2004 Роторно-мультипликаторный бур.

57. Справочник инжннера по бурению геологоразведочных скважин: В 2-х томах/ Под общей редакцией проф. Е.А.Козловского. Том 1- М.: Недра, 1984.512 с.

58. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для техн. спец. вузов. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1998. - 447 е., ил.

59. Техническая механика: детали машин: Учеб. для машиностр. спец. техникумов. 2-е изд., доп. -М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.

60. Игнатищев P.M. Синусошариковые редукторы. Минск Вышейшая школа, 1983.

61. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Высшая школа, 1978.

62. Гузенков П.Г. Краткий справочник к расчётам деталей машин. -М.: Высшая школа, 1968.