книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

Характерна ликвидация прихвата с помощью этого устрой­ ства на скв, 3 Очамчира [8]. Прихват возник при забое 3254 м во время спуска бурильной колонны для шаблонирования ство­ ла перед спуском 245-мм технической колонны. На глубине 2905 м произошла резкая посадка на 50 тс при собственном ве­ се инструмента 106 тс. Компоновка низа бурильной колонны следующая.

Низ колонны заклинило в интервале залегания крепких мергелистых известняков. Прихват возник вследствие резкого увеличения жесткости низа колонны включением расширите­

лей.

Установленные две кислотные и одна нефтяная ванны ока­ зались безрезультатными. С помощью шнуровой торпеды отвин­ тили трубы над верхним расширителем, подняли их, а в сква­ жину перед 46 м 178-мм УБТ спустили устройство и, соединив его прихваченным инструментом, приступили к работе. Удары производили вверх при силе срабатывания, превышающей на 32 тс собственный вес инструмента. После пяти ударов инстру­ мент поднялся на 150 мм. Последующие пять ударов при этом же силовом режиме не изменили положения прихваченного ин­ струмента. Увеличив силу срабатывания до 46 тс сверх собст­ венного веса, произвели три удара, — подвинулись на 2 м, еще два удара с силой 50 тс освободили инструмент. На ликвида­ цию аварии затратили 2,5 ч.

На поднятом бурильном инструменте шарошки расширителя были заклинены, сварные швы нижних опор пальцев шарошек расширителей в трех местах нарушены, что указывает на зна­ чительную величину заклинивания инструмента, приведшую к аварии. Рабочие элементы устройства не имели заметных сле­ дов сработки.

Механические ясы конструкции б. АзНИИбурнефти и Пол­ тавского отделения УкрНИГРИ [61, 78] одинаковы по принци­ пу действия (рис. 22). Сила удара зависит от скорости подъ-

151

Рис. 22. Схема яса:

ема и спуска бурильного инстру­ мента и величины свободного хо­ да, зависящих, в свою очередь, от буровой установки; длины сво­ бодной части колонны буриль­ ных труб и сил сопротивления при их движении в стволе сква­ жины; параметров самого устрой­ ства и состояния ствола скважи­ ны. Так как в основном эти ско­ рости имеют незначительную ве­ личину (порядка 0,3—0,8 м/с), то динамические нагрузки, создава­ емые этими устройствами, в ряде случаев не достигают значений, необходимых для ликвидации прихватов.

Ясы-вибраторы (рис. 23). Ясвибратор [94] позволяет про­ изводить удары по прихваченной части колонны весом непри-

хваченных труб и создавать их вибрацию. Яс-вибратор состо­ ит из корпуса 6 диаметром 146 мм и длиной 2,5 м, изготов­ ленного из обсадной трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 12 мм, 39-мм штока 3, выполненного из от­ резка бурильной трубы с толщиной стенки 11 мм, головки штока 2 из 146-мм УБТ, имеющего правую трубную резьбу, с помощью которой она навинчивается в горячем состоянии на верхний конец штока. В нижней части сделаны два кулачка верхнего переводника 1 (предохранительного), выполненного из 146 мм УБТ и имеющего с одной стороны замковую резь­ бу под замок бурильной трубы диаметром 114 мм, а с другой стороны — трубную резьбу для соединения с головкой штока зубчатого бойка 5, изготовленного из 146-мм УБТ с правой трубной резьбой для ввинчивания в корпус и с зубчатой нарез­ кой на торце (восемь закаленных зубьев, шаг 36 мм, высота 15 мм). Переводник бойка 4 из 146-мм УБТ с правой трубной резьбой для соединения с зубчатым бойком удерживает саль­ никовые уплотнения. В верхней части вырезаны пазы для вхо­ да кулачков головки штока, сальникового уплотнения 10, со-

152

Рис. 23. Схема яса-вибратора:

1 — переводник верхний; 2 — головка штока; 3 — шток; 4 — переводник бойка; 5 —боек зубчатый; б — корпус; 7 — шпонка; 8 — ударник зубчатый; 9 — гайка стопорная; 10 — уплотнение

стоящего из трех резиновых манжет, зубчатого ударника, 8 с такими же зубьями, как и у зубчатого бойка, крепящегося на штоке с помощью шпонки 7, стопорной гайки 9, изготовленной из 146-мм УБТ и имеющей правую цилиндрическую резьбу для крепления зубчатого ударника на шейке штока. На ниж­ ний конец корпуса навинчивают переводник для соединения с оставшимися в скважине трубами или ловильным инструмен­ том.

Для создания вибрации дается натяжка колонне труб, на которой спущен яс-вибратор. Шток 3 движется вверх до со­

вибрировать зубчатый боек. Вибрация бойка передается кор­ пусу и всей прихваченной колонне, соединенной с ясом. Часто­

сом колонны труб.

Этот яс-вибратор грузоподъемностью 50 тс предназначен для работы в 197-мм скважинах с бурильными трубами диа­ метром 114 мм до глубины 1500 м и с бурильными трубами

На рис. 24 приведена схема ударно-вибрационного яса конст­ рукции б. АзНИИбурнефти [78], предназначенного для осво­ бождения прихваченной колонны труб осевыми ударами, на­ правленными сверху вниз, или созданием вибрации в колонне вращением труб под натяжением.

Яс (ЯУВ) состоит из корпуса и шпиндельной части. Кор­ пус 6 соединяется с колонной бурильных труб переводником / и служит для нанесения ударов ударником 9 по наковальне 10, а также для создания вибрации при вращении инструмен­ та под натяжением с помощью кулачков ударника. В перевод­ нике 1 смонтированы кольцо 2, пружина 3, муфта отбойная 4 с квадратным сечением направляющей хвостовой части. Про­ дольное перемещение отбойной муфты ограничивается двумя винтами 5, расположенными в нижней части переводника 1. Переводник и ударник соединены корпусом 6.

Нижняя часть наковальни 10 служит для соединения с при­ хваченными трубами. На шпинделе 8 закреплена головка 7 и наковальня 10. Головка снабжена кулачками. Головку со шпинделем крепят специальным штифом. Зазоры между кор­ пусом и шпинделем уплотняют манжетами.

Яс опускают в скважину на бурильных трубах. При дости­ жении ясом прихваченной части колонны его шпиндель упи­ рается в торец колонны, и при дальнейшем опускании яс вы-

154

Т а б л и ц а 29 Техническая характеристика ЯУВ

бирает свой свободный ход. Последующее вращение колонны с ясом вызывает под действием пружины зацепление кулачков отбойной муфты с кулачками головки, после чего вращение колонны передается шпинделю, что способствует захвату кон­ ца прихваченной колонны.

Убедившись в надежном соединении с прихваченной колон­ ной труб (по показаниям манометра и индикатора веса), при­ ступают к освобождению инструмента нанесением ударов удар­ ником по наковальне. Удары создают весом инструмента при расхаживании или созданием вибрационной нагрузки при вра­ щении колонны под натяжением.

Характеристика ударно-вибрационных ясов типа ЯУВ при­ ведена в табл. 29.

Гидромеханические устройства. К числу гидромеханических устройств ударного действия относятся гидравлические ясы открытого типа ЯГ-146, ЯГ-95 [65], выпускаемые серийно с комплектами испытателей пластов КИИ2М-146 и КИИ2М-95, и ясы закрытого типа ЯГЗ-146, ЯГЗ-127 [12], разработанные в СевкавНИПИнефти.

Принцип работы этих ясов заключается в передаче прихва­ ченной части колонны осевых ударных нагрузок, направленных вверх. Для удара используется энергия деформации, накоплен­ ная при растяжении свободной части колонны бурильных труб.

Техническая характеристика ясов открытого типа

7* 155

Рис. 25. Схема гидравлического яса открытого типа (ЯГ) г

1 — переводник; 2 — шток грузовой; 3 — корпус; 4 — втулка уплот­ нительная; 5 — седло; 6 — шток нижний; 7 — переводник; 8 — ман­ жетное уплотнение

На рис. 25 показана схема яса ЯГ-146, состо­ ящего из корпуса 3, внутри которого размещен грузовой шток 2, находящийся в постоянном шли­ цевом зацеплении с корпусом нижнего штока 6, проходящего через двухстороннее манжетное уплотнение 8. Между выступами штоков 2 и 6 установлено седло 5 и резиновая уплотнитель­ ная втулка 4. Сверху на грузовой шток 2 на­ винчен переводник 1, а снизу в корпус 3 — пе­ реводник 7. При передаче растягивающей на­ грузки подвижные детали перемещаются вверх, а резиновая втулка 4 плотно садится на уплот­ нительный корпус седла 5, благодаря чему об­ разуется замкнутая атмосферная камера между уплотнительными манжетами 8 и конусом. С этого момента детали могут перемещаться вверх при условии приложения растягивающей силы,, большей, чем произведение гидравлически не­ уравновешенной площади на гидростатическое давление столба бурового раствора, заполняю­ щего скважину. Эта сила для ясов ЯГ-146, ЯГ1-146 и ЯГ-95 составляет соответственно 9,6; 5,8 и 3,8 тс на 100 кгс/см2 гидростатического давления.

При натяжении колонны бурильных труб, превышающем силу, необходимую для растяжения яса, шток яса начинает перемещаться вверх относительно корпуса. В момент, когда резиновая втулка окажется выше радиальных отверстий в кор­ пусе, давление под резиновой втулкой станет равным гидро­ статическому, поэтому сопротивление движению исчезнет и подвижные детали под действием энергии упругого растяже­ ния колонны бурильных труб резко переместятся вверх, нано­ ся удар по утолщенной верхней части корпуса в направлении снизу вверх. Если при этом прихваченная часть инструмента не освободилась, то яс сжимают повторно с последующим на­ тяжением колонны труб.

Таким образом, яс обеспечивает создание серии ударов, ве­ личина которых, при прочих равных условиях, зависит от на­ тяжения и жесткости колонны бурильных труб и может в 3—4 раза превышать силы растяжения. Например, при скорости подъема 22 см/с сила удара может достигать 20—40 тс.

В некоторых случаях максимальная растягивающая сила,

156

передаваемая на яс, может быть ограничена прочностью бу­ рильных труб, что сокращает область применения яса на глу­ бине скважин 3—4 тыс. м.

Основной недостаток гидравлических ясов открытого типа заключается в том, что тормозная камера сообщается с затрубным пространством и заполнена буровым раствором, по­ ступающим из скважины. Вследствие этого эффективность ра­ боты таких устройств существенно зависит от величины гидро­ статического давления в зонах их установки и от качества бу­ рового раствора.

Ясы закрытого типа более эффективны, так как тормозная камера у них заполнена вязким маслом и герметично изоли­ рована от внешней среды. Благодаря этому исключается за­ клинивание штока шламом, а величина нагрузки, создаваемой в ясе, не зависит от гидростатического давления в скважине. Кроме того, заполнение тормозной камеры маслом различной вязкости дает возможность выбирать необходимую величину удара.

Эти особенности конструкции и принципа действия расши­ ряют пределы работы яса по давлению в скважине и способст­ вуют увеличению надежности его работы.

Техническая характеристика ясов закрытого типа

На рис. 26 приведена схема яса закрытого типа ЯГЗ-127, корпус которого состоит из переводника, кожуха и переводни­ ка 10, соединенных на метрических резьбах. В корпусе разме­ щены полые штоки, поршень, гайка и гидравлическое сопротив­ ление, состоящие из корпуса, имеющего стержневую систему лабиринтовых зазоров и обратный клапан. В качестве уплот­ нительных элементов использованы резиновые кольца кругло­ го сечения и специальная резиновая втулка. Между штоками 3, 4 и поршнем 6 образована замкнутая камера, которая через пробки 2 заполняется авиамаслом МС-20.

В процессе спуска яс находится в растянутом положении, как показано на рис. 26. Благодаря шестигранному зацепле­ нию между штоками 3 и кожухом 8 через бурильные трубы

157

Рис. 26. Схема гидравлического яса закрытого типа (ЯГЗ):

1 — переводник; 2 — пробки заправочные; 3, 4, 9 — штоки; 5 —корпус гидросопротив ленив; 6 — поршень; 7 —гайка; 8—кожух; 10 — переводник

Рис. 27. Схема гидравлического яса конструкции ВНИИБТ:

При передаче механической сжимающей нагрузки яс сжи­ мается на длину рабочего хода, при этом корпус 5 входит в полость штока 3 и масло перетекает из надпоршневого прост­ ранства в подпоршневое без сопротивления благодаря нали­ чию обратного клапана в системе гидравлического сопротивле­ ния.

Яс срабатывает под действием натяжения колонны буриль­ ных труб, при этом шток 3 перемещается вверх, а масло пере­

158

рильных труб перемещается медленнее верхней, которая рас­ тягивается, накапливая упругую энергию деформации растя­ жения.

Гидравлический яс закрытого типа разработан во ВНИИБТ [7, 35] (рис. 27). Яс состоит из корпуса 1, внутри которого име­ ются две ступенчатые камеры, и штока 2 со смонтированным на нем поршнем 3. Корпус сверху и снизу герметизирован уплотнениями, а камеры — заполнены маслом. При заряжен­ ном состоянии яса поршень находится в крайнем нижнем по­ ложении. Зазор между поршнем и цилиндром нижней камеры минимален и составляет 90—100 мкм.

через колонну бурильных труб передают нагрузку растяже­ ния. направленную вверх. Благодаря малому зазору в паре поршень — цилиндр масло в камере сжимается и в ней возни­ кает давление, пропорциональное растягивающей нагрузке. Нагрузка через шток, сжатое масло и корпус передается на прихваченный участок бурильных труб. Одновременно жид­ кость, сжатая под действием высокого давления, начинает пе­ ретекать через малые зазоры в паре поршень — цилиндр в подпоршневую зону, вследствие чего поршень получает возмож­ ность медленно двигаться вверх. Колонна труб растягивается на некоторую величину (в пределах упругой деформации) и накапливает энергию деформации.

При входе поршня в расширенную часть камеры давление в системе резко падает, шток и.растянутая часть колонны, по­ лучают возможность свободно перемещаться вверх за счет энергии упругой деформации, нанося удар по верхней части корпуса яса, сила которого пропорциональна накопленной энергии и скорости движения. Энергия удара через корпус яса передается прихваченной части.

Порядок работы рассмотренных устройств можно условно разделить на два этапа. Первый: зарядка яса — создание не­ обходимой тяговой силы на штоке устройства; второй: разряд­ ка — нанесение удара по прихваченной части бурильной ко­ лонны.

На первом этапе устройство работает как гидравлическая система, на втором — как механическая. Работа этих устройств на втором этапе ничем не отличается от работы механических устройств ударного действия без сальниковых уплотнений, ра­ ботающих при больших давлениях. С этой точки зрения пре­ имущества механических ударных устройств неоспоримы.

Во ВНИИКРнефти разработан гидроударник, включаемый в компоновку бурильного инструмента (рис. 28).

Гидроударник состоит из трубчатого корпуса 1 с отверстия­ ми 2, 3 для выпуска отработанной жидкости из рабочей каме­ ры 4, образованной плотностью между стенками корпуса и по-

159

лым штоком 5 с нагнетательными отверстиями 6 и 7. На што­ ке концентрично расположена золотниковая втулка 8 с нагне­ тательными отверстиями 9, 10 и рабочими отверстиями 11, 12 для сброса отработанной жидкости.

Проходные сечения отверстий 11, 12 в крайних положениях втулки сжимаются стержнями 13 с переменным по длине сече­ нием. На золотниковой втулке свободно установлен поршеньударник. В рабочем состоянии устройства циркуляционный ка­ нал 15 перекрыт пробкой 16. К корпусу устройства на резьбе присоединены переводник 17 и удлиненный переводник 18, в котором размещен механизм включения устройства и поворо­ та штока, содержащий зубчатые венцы 19 и 20, пружину 21 и зубчатое кольцо 22, установленное на штоке. В нерабочем со­ стоянии гидроударник монтируют в наиболее прихватоопасном месте, т. е. в нижней части бурильной колонны, над УБТ.

Устройство работает следующим образом. В случае возник­ новения прихвата в бурильную колонну с поверхности сбрасы-

160.