7.8.4. Оценка методов и рекомендации по бурению поглощающих скважин с местной циркуляцией промывочной жидкости

Технические средства и способы, позволяющие обеспечить надежную местную циркуляцию промывочной жидкости в безрасходном режиме экономически более целесообразны, чем те, применение которых может лишь уменьшить расходование жидкости, подаваемой с поверхности буровым насосом.

Способы бурения с пониженным расходованием промывочной жидкости, при которых используются более простые технические средства, при отсутствии более эффективных средств, могут быть рекомендованы к производственному применению.

Недостатком безнасосного бурения является большая трудоемкость расхаживания всей колонны бурильных труб, что приводит к повышенному износу бурового инструмента и станка. Однако безнасосный способ бурения поглощающих скважин в его простейшем варианте может быть использован при отсутствии других, более эффективных средств и способов.

Известные колонковые снаряды для безнасосного бурения с использованием для механизации расхаживания призабойных устройств показали низкую надежность работы в связи с отсутствием эффективных способов удержания одного из узлов снаряда от вращения.

Пульсационные пневматические насосы, создающие местную циркуляцию промывочной жидкости путем периодического изменения уровня жидкости в бурильных трубах, имеют малую подачу и не гарантируют надежной циркуляции.

Эрлифтные насосы нашли в свое время применение при бурении геологоразведочных скважин, однако область их эффективного использования ограничена: они не могут применяться при низких уровнях пластовых вод, при больших глубинах, в скважинах малого диаметра. В связи с ненадежностью создаваемой эрлифтом местной циркуляции иногда применяют комбинированные эрлифтно-поршневые насосы, в которых поршневой насос используется, прежде всего, для восстановления циркуляции. В этом случае и без того сложные конструкции эрлифтных снарядов, требующие применения дорогого специального оборудования, дополнительно усложняются с использованием поршневых насосов, привод которых осуществляется путем расхаживания бурильной колонны.

Применение погружных электрических центробежных насосов, кроме сложности передачи электроэнергии к погружному насосу, сдерживается отсутствием надежных электродвигателей малого диаметра и, в особенности, малым ресурсом работы центробежных насосов при перекачивании промывочных жидкостей, обогащенных шламом горных пород.

Шнековые насосы малопроизводительны и не обеспечивают надежной циркуляции. Лопастные и особенно шнеко-лопастные насосы позволяют несколько интенсифицировать местную циркуляцию промывочной жидкости, но они имеют значительно более сложную конструкцию.

Винтовые насосы в связи с отсутствием эффективных способов удержания неподвижного органа от вращения не могут обеспечить надежную местную циркуляцию жидкости в скважине.

Погружные поршневые насосы (табл. ) являются наиболее надежным техническим средством для создания местной циркуляции жидкости в поглощающих скважинах, прежде всего, потому, что они могут создать принудительную циркуляцию, обеспечивающую более высокую надежность и интенсивность промывки. Это достоинство свойственно группе погружных поршневых насосов в целом, однако, в зависимости от привода и конструктивных особенностей, устройства с поршневыми насосами имеют те или иные недостатки.

Наиболее простой и надежной схемой работы отличаются погружные поршневые насосы с использованием гидроштанги в качестве передаточного звена от приводного устройства к исполнительному органу (см. рис. ). В качестве приводного устройства в них может использоваться штатный буровой насос буровой установки, что существенно снижает набор специального оборудования. Наиболее подходящим для привода погружного насоса является буровой насос НБ4-160/63, в котором два из трех плунжеров отключаются, а с оставшимся плунжером вместо штатного нагнетательного клапана применяется пульсатор (см. рис. ).

Погружение насоса под уровень жидкости в скважине должно быть не менее 1,0 м (желательно погружать насос под уровень в пределах 5-10 м). Погружной насос может быть при необходимости установлен непосредственно над колонковым снарядом, однако следует иметь в виду, что по мере удаления от забоя обстановка для работы погружного насоса более благоприятна, жидкость в верхней части менее обогащена шламом, т.к. он при движении вверх по стволу скважины расходуется в зонах поглощения.

Для повышения эффективности передачи усилий от поверхностного насоса приводному плунжеру погружного насоса необходимо применять бронированные напорные рукава и устройство для выпуска воздуха из нагнетательной магистрали.

Для создания местной циркуляции используются имеющиеся в скважине пластовые воды. При бурении поглощающих скважин в устойчивых геологических разрезах применение местной циркуляции пластовых вод, несмотря на низкие реологические свойства воды и отсутствие гидростатического давления на стенки части ствола скважины, не приводит к осложнениям. Однако довольно часто бурение поглощающих скважин ведется в сложных геологических условиях (неустойчивость горных пород, слагающих геологический разрез, наличие пучащих пород и т.п.). В этих условиях обеспечить безаварийное бурение скважин с применением воды в качестве промывочной жидкости сложно или даже невозможно.

С целью обеспечения возможности бурения поглощающих скважин с местной циркуляцией в сложных геологических условиях в ТулНИГП предложен способ очистки забоя (рис. ), сущность которого заключается в следующем.

При вскрытии неустойчивого разреза (или в иных сложных геологических условиях) скважину 4 обычным способом углубляют ниже зоны поглощения на глубину, превышающую суммарную длину бурового снаряда 1 и погружного насоса 3, затем через бурильные трубы 2 и буровой снаряд часть скважины ниже зоны поглощения заполняют промывочной жидкостью 6 с реологическими свойствами выше реологических свойств пластовой жидкости, а в зоне поглощения 5, в которой происходит переток пластовых вод, и над зоной поглощения до статического уровня Н_ст находится пластовая жидкость 7. В процессе дальнейшей углубки часть скважины ниже зоны поглощения при необходимости пополняется промывочной жидкостью 6.

Погружной насос устанавливают ниже статического уровня пластовых вод в пределах части скважины, заполненной жидкостью 6. При бурении погружной насос осуществляет в интервале между насосом и забоем местную циркуляцию промывочной жидкости 6, которая благодаря более высоким в сравнении с пластовой жидкостью реологическим свойствам способствует повышению устойчивости стенок скважины и улучшает очистку забоя. В связи с тем, что промывочная жидкость и погружной насос находятся ниже зоны поглощения, предотвращаются или значительно сокращаются ее потери в зоне поглощения.

Дополнительно повысить производительность бурения с местной циркуляцией промывочной жидкости можно за счет применения гидроударника (рис. ), являющегося модификацией погружного насоса (см. рис. ) и работающего в комплексе с пульсатором (см. рис. ).

Под действием импульса, передаваемого от пульсатора, порция приводной жидкости перемещает приводной плунжер 1 и связанный с ним штоком 2 насосный плунжер 3, являющийся одновременно ударником, сжимая при этом размещенную на штоке между опорными кольцами рабочую пружину 4. Плунжер-ударник при своем движении вниз вытесняет жидкость из насосной камеры через каналы 5 в полость 6 и далее, открывая выпускной клапан 7, в колонковый набор к забою скважины. Крутящий момент передается породоразрушающему инструменту через шлицевой (или иной) разъем. Осевая нагрузка передается от корпуса насосного цилиндра через корпус герметизированного манжетами шлицевого разъема. При соприкосновении корпуса насосного цилиндра и корпуса шлицевого разъема наковальня 8 находится в крайнем верхнем положении. В этот момент высота камеры в цилиндре от крайнего верхнего положения плунжера-ударника 3 до наковальни по величине меньше длины максимального хода плунжера 3 из расчета нанесения при каждом рабочем ходе эффективного удара с высокой энергией. Плунжер 3, выполняя роль ударника, наносит удар по наковальне, которая через детали 9, 10, 11 жестко связана с колонковым набором. В результате породоразрушающему инструменту при каждом рабочем ходе плунжера-ударника передается ударный импульс. Совокупное приложение ударных импульсов, осевой нагрузки и крутящего момента на породоразрушающий инструмент повышает эффективность разрушения забоя скважины, способствует увеличению скорости бурения. В момент удара плунжера-ударника по наковальне последняя вместе с колонковым набором и промежуточными узлами смещается вниз на величину заглубления резца в горную породу.

При снятии импульса от пульсатора плунжер 1 под действием реакции рабочей пружины 4 и усилия от гидростатического давления затрубного столба промывочной жидкости на нижний торец плунжера-ударника возвращается в исходное положение, при этом насосная камера заполняется скважинной жидкостью через открытый впускной клапан 12, т.е. происходит цикл всасывания. Затем от пульсатора поступает очередной импульс, под действием которого плунжеры 1 и 3 перемещаются вниз, вытесняя к забою скважины жидкость из насосной камеры с одновременным нанесением удара плунжером-ударником по наковальне. Таким образом, устройство является одновременно погружным насосом, создающим призабойную циркуляцию, и гидроударником, создающим и передающим ударные импульсы на породоразрушающий инструмент.

Современные буровые насосы имеют многоскоростные коробки передач, что позволяет переключением скоростей на поверхности регулировать производительность погружного насоса и число ударов ударника в необходимых пределах в зависимости от потребности получения рационального их сочетания для достижения максимальных скоростей бурения.

7.9. Бурение с очисткой забоя газожидкостными смесями (ГЖС) (по Н.С.Вулисанову и А.И.Кирсанову)