Розвиток наукових основ створення заглибних гідроударних снарядів і установок для однорейсового буріння свердловинна морському шельфі

У роботі дається докладна інформа-ція про вперше проведені розробки техно-логічного устаткування, необхідного для реалізації задач виробничого експери-менту і досягнення гарантованих експлуа-таційно-технічних якостей однорейсової проходки свердловин глибиною 6 - 10 м.

Установки типу УГВП, для робіт із малотоннажних бурових судів, укомплектовані "Стабілізуючою опорою", що запобігає перекидання ЗБС у мо-мент постановки його на дно і габаритами, що мобільно змінюються, при підйомі, і "Кантувачем", що забезпечує маніпуляції, пов'язані з можливістю розміщення на палубі довгих ЗБС (уздовж борта бурового судна. Перераховані пристрої реалізовані у виді дослідних зразків технологічного устаткування установки УГВП -130/8 і змонтовані на бурових судах виробничих геологічних об'єднаннях (ВГО) "Кримгеологія", "Причорноморгеологія". Пізніше, для експлуатації установок УГВП-150 і УГВП-130 аналогічним устаткуванням оснащені бурового науково-дослідні судна ВГО "Архангельськгеологія", "Союзморінжгеологія", Арктичної і Далекосхідної морських інженерно-геологічних експедицій та ін.

Відомості по устаткуванню ПУВБ із жорсткою рамною підставою для роботи зі середньотоннажних судів, приведені в дисертації у формі посилань на їхню результативність, і підтверджені відповідними актами впровадження.

Установки пройшли повний комплекс іспитів і прийняті Державними відомчими комісіями для випуску й експлуатації з бурових судів малої (УГВП) і середньої (ПУВБ) тоннажності. Результати приймально-здавальних іспитів, а також частина показників впровадження установок оформлені в додатках у вигляді відповідних актів і протоколів упровадження їх у морських підприємствах України і Росії.

У ході іспитів, крім виробничих задач, виконані роботи, що стосуються перевірки теоретичних передумов по взаємозв'язку режимних параметрів ГУ і про-цесу занурення пробовідбірника. Вони оцінювалися по механічній швидкості бу-ріння; рейсовій проходці і якості геологічного матеріалу. Отримані фактичні результати підтвердили наявність граничного діапазону частоти ударів бойка по параметру наповнення камери НБ (), а також відповідність вихідних параметрів проектування ЗБС розробленим оптимальним областям їхнього застосування з необхідними вихідними показниками системи "ЗБС - свердловина" у широкому спектрі донних відкладень. гідроударний снаряд буріння свердловина

У цілому, виробничі іспити гідроударних бурових снарядів підтвердили пра-вильність умов запропонованого синтезу заглибних бурових снарядів із багато-функціональним режимом роботи одноелементного гідроударного генератора на-вантажень. Енергетичні й експлуатаційні параметри ЗБС і комплексу техноло-гічного устаткування розроблених установок відповідають вихідним вимогам для реалізації процесу ОПС глибиною 8...10 м із мало- і середньотоннажних бурових судів. Встановлено можливість підвищення продуктивності ОПС за рахунок реалізації комбінованої схеми буріння у виді органічно сполучених способів - ударно-вібраційного, з безупинною зворотною циркуляцією рідини в призабойній зоні і гідромоніторного розмиву осадів на зовнішній поверхні ЗБС.

На сьогодні установки УГВП і ПУВБ залишаються найбільше ефективними в системі МБВ при геологорозвідувальному й інженерно-геологічному бурінні дрібних свердловин на шельфі Балтійського і Чорного морів, а також морів Далекого Сходу і Крайньої Півночі. Ними обладнано більш десятьох науково-дослідних бурових судів України і Росії.

За останні роки область експлуатації розроблених ЗБС значно розширена. У 1995 р. ДП "АМІГЕ" уперше була застосована технологічна схема багаторейсового буріння снарядом ЗБС (через шахту бурового судна) без використання обсадної колони. У пісчаних відкладеннях великої потужності було пройдено 44 свердловини, при максимальній глибині 16.2 м.

У 2001 р. виконані інженерно-геологічні вишукування в Азовському морі, під облаштованість трубопроводу і площадки постановки морської стаціонарної платформи на Східно-Казантипському родовищі газу, що виконувалися з борта рятувального судна "Центавр" ДАТ "Чорноморнафтагаз". Вперше гідроударні ЗБС використані для проходки свердловин глибиною до 20 м. Була застосована нова технологія буріння, яка полягає в тому, що, починаючи з другого рейса, проводилося повторне перебурювання раніше випробуваних інтервалів без відбору керна (гідромоніторним способом). І тільки по досягненні необхідного інтервалу випробування провадилося вмикання гідроударника, для буріння з відобором керна. Технологія і режими роботи бурового снаряда установлювалися відповідно до розроблених рекомендацій і підбиралися в залежності від характеру порід із таким розрахунком, щоб забезпечити максимальну швидкість проходки без відбору керна і якісний відбір керна при бурінні запланованих для цього інтервалів свердловини. Час буріння свердловини глибиною 20.5 м дорівнював 1,8 години. Середній час, витрачений на проходку більш дрібних свердловин (6 м) не перевищував 0.7 години.

Результати впровадження ЗБС і установок у специфічних умовах мор-ських бурових робіт при реалізації бага-торейсового буріння обумовлює перс-пективи подальшого розвитку гідроудар-них машин із науковою постановкою проблеми, рішення якої забезпечить подальший розвиток теорії ГУ і розширення області їхнього застосування. Ця робота являє собою самостійну і надзвичайно актуальну область досліджень.

Висновки

У дисертації здійснено теоретичне узагальнення і дане рішення актуальної і значної наукової проблеми розвитку наукових положень теорії гідроударних машин, що полягає в розкритті особливостей, закономірностей, установленні залежностей і розробці математичних моделей для створення ефективних гідроударних заглибних бурових снарядів і установок для однорейсової проходки свердловин на морському шельфі

Основні наукові і прикладні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у наступному.

1. Теоретично й експериментально встановлено, що якісно і кількісно робо-чий тиск у циліндрі гідроударника подвійної дії визначається рівнем значимості гідроударного і додаткового тисків. При цьому значимість перерахованих складо-вих тиску, залежить від співвідношення робочої площі поршня гідродвигуна машини () і площі перерізу трубопроводу (). При збільшенні живого перерізу трубопроводу від 0.35 до 3.5 і фіксованих витратах рідини, додатковий тиск, у порівнянні з гідроударним тиском, залишається домінуючим при істотності 50-98%.

2. При номінальних витратах рідини на привід гідроударних бурових снарядів ( = 160 - 240 л/хв) уперше теоретично й експериментально встановлено, що гідроударний і додатковий тиски близькі по значимості в області, коли площа трубопроводу, принаймні, в два рази менше площі поршня (). При співвідношенні значимість гідроударного тиску в циліндрі машини подвійної дії знаходиться в діапазоні (50-25)%.

3. Експериментально підтверджено, що зниження амплітуди гідроударного тиску за рахунок збільшення живого перерізу трубопроводу призводить до несуттєвої зміни параметрів досліджуваного типу гідроударників. При 23 смІ і постійній витраті рідини збільшення площі перерізу трубопроводу з 8 смІ до 78 смІ призводить до деякого зниження частоти ударів (на 4-5. 5%), збільшенню швидкості наприкінці робочого ходу (на 10-14%) і зменшенню тиску наприкінці робочого ходу (на 12-17%) при зниженні інтенсивності його зміни в інтервалі .

4. Теоретично й експериментально установлено вперше, що при постійній витраті рідини і незмінних конструктивних параметрів гідроударника залежності швидкості бойка наприкінці робочого ходу і ККД машини від площі перерізу трубопроводу носять екстремальний характер. Для досліджуваного гідроударника подвійної дії максимум швидкості бойка і ККД машини знаходяться в діапазоні = 0.87-0.95. При цьому підтверджена особливість досліджуваних екстремумів, що полягає в можливості їхнього зсуву уздовж координатних осей при зміні розміру робочої площі поршня.

5. Уточнена і теоретично обгрунтована залежність для визначення часу робо-чого ходу бойка, яка показує, що оптимальне значення часу ходу і відповідний йому оптимальний робочий хід поршня взаємозалежні з витратою рідини, пара-метрами гідросистеми і робочою характеристикою гідроударника.

6. Розроблено структурно-кінематичну схему і розкрито характер форму-вання частотно-силових параметрів багатофункціонального гідроударного заглиб-ного бурового снаряда, що забезпечує комбінований спосіб однорейсового буріння підводних свердловин. Вперше спосіб заснований на одночасній реалізації ударно-вібраційного ефекту руйнування гірських порід на забої при наявності зверненої циркуляції рідини в керноприймальнику і гідромоніторної руйнації осадів по зовнішній поверхні колонкового набору заглибного бурового снаряда.

7. Встановлено закономірності зміни тиску в робочій камері насосного блока багатофункціонального гідроударника, що визначають область необхідної інтенсивності висхідного прямування рідини в керноприймальній трубі. Вперше межа припинення циркуляції води в керноприймальній трубі визначена техноло-гічною областю раціональної частоти ударів бойка, при якій забезпечується ударно-вібраційний ефект руйнування осадків і одночасно досягається достатня заповнюваність робочої камери насосного блока водою.

8. З урахуванням технічних і параметричних обмежень приводу і нерегульованих елементів гідроударника, при номінальній області подачі бурового насоса (180 - 240 л/хв), запропоновано метод вибору оптимального сполучення конструктивних і режимних параметрів гідроударної машини. Для типового набору донних осадів Азовського і Чорного морів встановлені області необхідних розмірів енергії (52 - 105 Дж) і частоти ударів бойка (16 - 21 гц), реалізація яких забезпечує комбінований спосіб буріння свердловин із необхідними вихідними параметрами системи "заглибний буровий снаряд-свердловина".

9. Експериментально підтверджена технічна можливість зменшення частоти ударів бойка при незмінних енергетичних показниках гідроударника. Відзначений результат забезпечено шляхом зниження гідроударного тиску в камерах гідродвигуна за рахунок активної зміни їхнього обсягу. Вперше при реалізації технічного рішення виключена багатоелементність гідроударної системи.

10. Вперше розроблено комплекс технологічного і допоміжного устаткування, що забезпечує можливість і ефективну експлуатацію гідроударних бурових снарядів при реалізації процесу буріння свердловин глибиною до 10 м із мало- і середньотоннажних бурових судів.

11. Результати досліджень використані при створенні гідроударних заглибних бурових снарядів і установок, що пройшли повний комплекс попередніх і приймальних іспитів і широко застосовуються морськими геологорозвідувальними підприємствами України і Росії. Вперше у світовій і вітчизняній практиці забезпечена проходка свердловин глибиною до 10 м і більш у широкому спектрі донних осадів, що включають прошарки "важких" грунтів і міцних порід, із неспеціалізованих мобільних і економічних плавзасобів малої і середньої тоннажності.

12. Розроблено метод проектування характеристик гідроударних бурових механізмів, що заснований на аналітичному рішенні рівняння балансу об'ємів рідини, що надходить від бурового насоса і минущих через гідроударник в окремі фази робочого циклу. Отримано залежності, що деталізують закономірності формування характеристик і показують додаткові шляхи більш повної реалізації потенціалу гідродвигуна, із можливістю підвищення на 20-30% ефективної потужності гідроударних машин, на основі вибору оптимального сполучення конструктивних і робочих параметрів елементів гідроударної системи.

Основні наукові і прикладні результати роботи освітлені в таких публікаціях

Калиниченко О.И. Допустимые области эффективной работы насосного блока погружных гидровибрационных установок типа УГВП и ПУВБ //Инженерно-геологические условия шельфа и методы их изучение. - Рига: Зинатне, 1991. - С. 27-30.

Калиниченко О.И. Основные зависимости для проектирования гидроударных буровых снарядов для однорейсового бурения подводных скважин //"Машиностроение и техносфера на рубеже XXI столетие". Сборник трудов VI международной НТК. Т.2. - Донецк, 1999. -- С.11-13.

Калиниченко О.И. Оценка энергетических характеристик гидроударных машин двойного действия // "Прогрессивные технологии и системы машиностроения". Международный сборник научных трудов.- Донецк, 2000. - Вып.12.- С. 80 - 83.

Калиниченко О.И. Испытания гидроударного снаряда для бурения подводных скважин //Научный вестник НГА Украины. - Днепропетровск, 2000. - №. 4. - С.73-75.

Калиниченко О.И. Особенности конструкций и элементы проектирования характеристик гидроударных буровых снарядов для однорейсового бурения подводных скважин //Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2000. - №11. - С. 16-23.

Калиниченко О.И. Экспериментальные измерения характеристик гидроударника при изменении сечения трубопровода //Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2000. -№ 23. - С.109-113 .

Калиниченко О.И. Основные положение теории гидроударников прямого действия //Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2001. №24.- С.29-35

Калиниченко О.И. К вопросу повышения эффективной мощности гидроударных машин //Проблемы научно-технического прогресса в бурении геол. разв. скважин. Сборник докладов НТК. - Томск, 1991. - С.111-115.

Калініченко О.І., Каракозов А.А. Вибійні бурові машини. Учбовий посібник. - Донецьк: ДонДТУ, 1997. - 125 с.

Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Зыбинский П.В. Новые технические способы и технология поинтервального бурения скважин на шельфе. //Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2001. - № 36. - С.144-148.

Калиниченко О.И., Квашин Е.В., Васин И.Д. О влиянии инерционных свойств жидкости на динамику поршня гидровибрационного пробоотборника //Совершенствование техники и технологии геол. разв. работ. Межвуз. науч. темат. сб. - Свердловск, 1990, - С.48-54.

Калініченко О.І., Русанов В.А. Аналіз етапу робіт по підвищенню рейсової проходки і збереженню кернового матеріалу при бурінні підводних свердловин //Збірник.наукових праць НГА України. - Дніпропетровськ, 1998. - Вып. 3, тому 2. - С.247-252.

Калиниченко О.И., Русанов В.А. Влияние условий работы насосного блока установки УГВП-130/8 на энергетические параметры погружателя //Науковий вісник НГА України. - Дніпропетровськ, 2000. - №. 3. - С.81-85.

Калиниченко О.И., Русанов В.А. Разработка и опытно-промышленные испытания технологических режимов ударно-вибрационного бурения донных отложений //Сборник научных работ НГА Украины. -Днепропетровск, 1998. - Вып. 6, том. 4. - С.32-36.

Калиниченко О.И., Коломоец А.В. Квашин Е.В., О результатах экспериментальных исследований гидровибрационных механизмов дифференциального действия //Совершенствование техники и технологии геол.разв.работ. Межвуз. научн. темат. сборник - Свердловск,1984. - Вып. 7. - С. 54-58. -

Калиниченко О.И., Русанов В.А., Рязанов А.Н. Методика проектирование конструктивных и рабочих параметров забойных гидроударных машин. //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Межвуз. науч. темат. сборник. - Екатеринбург: УГИ, 1993.- С. 97 - 102.

Калиниченко О.И., Русанов В.А., Юшков И.А. О влиянии подводящего трубопровода на характеристику гидроударной машины. //Горный журнал. Изв. ДонГТУ. - 1995. - №2. - С. 64-67.

Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Квашин Е.В., Тарарыева Л.В. Установка УГВП-2-130/8 для отбора донных проб. //Разведка и охрана недр. - 1985. - №3. - с.36-38.

Коломоец А.В., Калиниченко О.И., Неудачин Г.И. Методика определение исходных данных при проектировании рабочих параметров виброударных механизмов для ликвидации прихватов бурового инструмента.// Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1982. - Вып. 9. - С.13-17.

Неудачин Г.И., Калиниченко О.И., Фоменко В.С., Чаленко А.А. Пути повышение эффективности гидроударных буровых механизмов. //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Межвуз. науч. темат. сборник. - Свердловск, 1981. - №4. - С. 17-22.

Неудачин Г.И., Коломоец А.В., Калиниченко О.И. Опыт применение погружных гидровибрационных буровых установок для взятия проб донных отложений на шельфе морей Дальнего Востока. // Техн. и технол. геол. - развед. работ; орг. произ-ва; Экспресс-информ. /ВИЭМС. - М., 1977, №5, с.1-11.

Опыт бурения морских геологоразведочных скважин на шельфе Черного моря. /Калиниченко О.И., Квашин Е.В., Цабут И.И., Вилюха С.И., Экспресс-информ. - М., 1984. -С. 1-7. - (Техн. и технол. Геол. развед. работ; орг. пр-ва;/ ВИЭМС -N19).

Опыт отбора проб донных отложений установками с гидроударным приводом. / Неудачин Г.И., Калиниченко О.И., Блинов В.И., Квашин Е.В., Межвузовский сборник научных работ. - М., 1991. - С.206-213. - (Геологические исследования Океана).

Применение погружных автономных установок для однорейсового бурения подводных скважин. /Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Квашин Е.В. и пр. //Техн. и технол. геол. развед. работ; орг. пр-ва; обзор /ВИЭМС. - М.,1988, Вып. 2. - 46 с.

А.с. №1494595 СССР, МКИ Е 21в 25/18. Пробоотборник. /Калиниченко О.И., Квашин Е.В., Каракозов А.А., Коломоец А.В.; Заявлен 02.11.87. Публикация ограничена.

А.с. №1435709 СССР, МКИ Е 02d 7/10. Гидравлический вибромолот. / Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Квашин Е.В., Коломоец А.В.; Заявлен 21.04.87; Опубл. 07.11.88, Бюл. №41.

А.с. №964054 СССР, МКИ Е 02d 7/10. Гидравлический вибромолот. / Неудачин Г.И., Жагулин В.А., Калиниченко О.И., Чаленко А.А.; Заявлено 10.04.81; Опубл. 07.10.82, Бюл. №37.

А.с. №1218067 СССР, МКИ Е 21в 25/18. Подводный пробоотборник. /Неудачин Г.И., Преображенский С.Ю., Жагулин В.А., Фоменко В.С., Калиниченко О.И., Чаленко А.А.; Заявлено 05.04.84; Опубл. 15.03.86, Бюл. №10.

А.с. №1556166 СССР, МКИ Е 21в 49/02. Кантователь морских пробоотборников. /Чаленко А.А., Фоменко В.С., Калиниченко О.И., Медко В.И.; Заявлено 15.11.88. Публикация ограничена.

А.с. №1501449 СССР, МКИ Е 21в 49/02. Судовой кантователь морских колонковых пробоотборников. /Каракозов А.А., Калиниченко О.И., Квашин Е.В., Тарарыева Л.В., Таболин А.А.; Заявлено 18.05.87. Публикация ограничена.

А.с. №1480395 СССР, МКИ Е 21в 25/18. Пробоотборник. /Каракозов А.А., Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Тарарыева Л.В., Таболин А.А.; Заявлено 21.04.87. Публикация ограничена.

А.с. №1578309 СССР, МКИ Е 21в 25/18. Пробоотборник. /Каракозов А.А., Блинов И.В., Калиниченко О.И., Валитов В.И., Тодер О.Я.; Заявлено 27.01.88;. Опубл. 15.07.90, Бюл.6 №26

Особистий внесок автора в публікаціях:

[9] - Cхеми і конструктивні особливості гідроударників, загальні положення теорії, нове рішення що до складання математичних моделей і методу інженерного розрахунку параметрів гідроударних машин, у тому числі з використанням ПЕОМ.

[10] - Принципова схема, теоретичне оформлення та практична реалізація нових технічних та технологічних рішень буріння свердловин глибиною 10-20 м у промислових умовах.

[11] - Аналіз та математичне обгрунтування впливу інерційних властивостей рідини на робочі параметри багатофункціональних гідроударних бурових снарядів.

[12] - Аналіз, теоретичне і експериментальне обгрунтування та практична реалізація нових технологічних рішень щодо удосконалення технологічних режимів комбінованого буріння свердловин.

[13] - Наукові результати що до оцінки витрат енергії рідини на привод насосного блоку багатофункціональних гідроударних заглибних бурових снарядів.

[14] - Обгрунтування вихідних даних щодо вибору раціонального сполучення робочих і конструктивних параметрів бурового снаряда і технологічних режимів однорейсової проходки свердловин у широкому спектрі донних осадів. Аналіз даних експериментальної перевірки методу визначення режиму буріння в умовах виробництва.

[15] - Наукова інтерпретація результатів експериментальних досліджень щодо впливу гідроударного тиску на параметри гідроударних машин.

[16] - Нове рішення щодо складання математичних моделей і методу розрахунку робочих і конструктивних параметрів гідроударних машин.

[17] - Аналіз, теоретичне і експериментальне обгрунтування результатів впливу перерізу трубопроводу на характеристики машин.

[18] - Обгрунтування та практична реалізація нової схеми бурової установки та технології однорейсового буріння свердловин глибиною до 8 м з НДС "Топаз".

[19] - Теоретичне обгрунтування вибору частотно-амплітудних характеристик ударно-вібраційних машин. Проведення лабораторних випробувань та обробка даних.

[20] - Аналіз теоретичних досліджень, основні положення теорії та математична модель гідроударної машини.

В роботах [21], [22], [23], [24] - обгрунтування, теоретичне оформлення та практична реалізація нових технічних рішень щодо удосконалення багатофункціонального гідроударного заглибного бурового снаряду та технологічного обладнання бурових установок типа УГВП, з метою підвищення техніко-економічних показників процесу однорейсового буріння свердловин. Участь у промислових іспитах.

В роботах [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32] здобувачем у співавторстві запропоновані основні визначальні ознаки винаходів, які є суттєвими.

Размещено на Allbest.ru