Применение ударных механизмов для предупреждения и ликвидации прихватов бурильной колонны

Актуальность задачи разработки новых технических средств для изучения проблемы прихватов бурильной колонны предполагает, что решение позволит снизить затраты на аварийные работы и повысить эффективность бурения скважин в сложных условиях.
Под прихватом бурильной колонны понимается невозможность подъема её из скважины при технически допустимых натяжениях. Под затяжкой бурильной колонны при подъеме понимается значительное увеличение нагрузки на крюке, при которой по техническим нормам можно поднимать бурильную колонну [1].
Если учитывать характеристику удерживающей силы и однородности обстоятельств, которые могли предшествовать возникновению, то причины возникновения прихватов подразделяются на три группы [7]:
перепад давления (дифференциальные прихваты);
затяжка в желобной выработке, заклинивание колонны труб в суженной части ствола скважины или же посторонним предметом;
возникновение осыпей или обвалов, течения (ползучесть) пластичных пород и т.п.
Проблему профилактики прихватов следует рассматривать одновременно с проблемой передачи нагрузки на долото при бурении горизонтальных стволов большой длины. Предупреждение прихвата можно осуществить, используя волновые продольные воздействия при помощи специального устройства (рис.1), обеспечивающего циклическое колебание движущегося потока бурового раствора в бурильных трубах с переходом в гидравлические удары [2].
Устройство - генератор гидроимпульсов состоит корпуса 1, переводников для установки в колонну 2, 3, ограничителя подъема винта при спуске бурильных труб 4, соединителя 5, заслонки 6, седла-фильтр 7. При прокачке бурового раствора винт в устройстве периодически с помощью заслонки перекрывает выход буровому раствору, который представлен разными по размеру окнами. Поэтому при вращении вала с заслонкой ритмично перекрываются отверстия в фильтре, придавая потоку цикличность по скорости и массе [5].
Рисунок 1 - Устройство – генератор гидроимпульсов на основе короткой винтовой пары
На практике проведения скважины через прихватоопасные интервалы в компоновку бурильного инструмента включается не менее двух устройств (рис. 2). При этом исходят из того, что в интервалах между винтовым забойным двигателем и первым устройством, а также между первым и вторым устройствами при бурении возникнут самоорганизующиеся гидроимпульсные волновые системы, в которых характер распространения импульсов в основном будет находиться на резонансном уровне, их частота и повышенная амплитуда волн будут усиливать неравновесное состояние бурильной колонны [5].
Рисунок 2 - Схема расположения устройств в горизонтальном стволе в процессе бурения
Ударные механизмы, разработанные для ликвидации прихватов, действуют по принципу реализации энергии упругой деформации твердого тела

. Они применяются на практике в настоящее время повсеместно. В качестве элемента, накапливающего энергию упругой деформации, используют бурильную колонну. Область применения таких механизмов ограничивается глубиной скважин, так как под воздействием высокой температуры нарушается пластичность уплотнения.
Как правило, глубина скважины должна быть не более 100 м, если у бурильной трубы диаметр до 50 мм; и, если скважина, более 400-500 м при диаметре свыше 89 мм [1, 3]. Чтобы ликвидировать прихваты в неглубоких скважинах, используют механические ясы, в которых деформируемым элементом является пружина, однако эти механизмы малочисленны.
Механически ясы отличаются простой конструкцией. Например, механизм УЛП-190-1 (рис.3), который состоит из корпуса 1 с зубьями 5 и штока 7 с уплотнительной манжетой 2, конусом 3, предохранительным кольцом 4 и зубьями 6. Шток 7 имеет сквозной канал для промывки и пропуска торпеды. Чтобы ликвидировать прихват, устройство опускают в скважину на бурильных трубах и соединяют с прихваченным инструментом. Затем располагают непосредственно над прихваченной частью труб. Если существует определенная необходимость в создании мощных динамических импульсов в направлении забоя скважины, то механический яс должен быть расположен на определенном расстоянии от верхней границы прихвата (до 500 м) и будет использован в режиме возбуждения. Максимальное число ударов не должно превышать 70 [4]. Основной недостаток данного механизма – это быстрый износ поверхности зубьев, что значительно может ослаблять силу ударов.
Рисунок 3 - Устройство для ликвидации прихватов УЛП-190-1
Другой тип механизма, который также нашел широкое применение, - гидравлический яс, предназначенный для работы в составе бурильной колонны. Эффективность работы гидравлических ясов открытого типа (пример, ЯГ-146, ЯГ-95) зависит от величины гидростатического давления в зонах их установки и от качества бурового раствора. Они уступают ясам закрытого типа из-за быстрого износа в результате абразии элементов устройства и возможном заклинивании поршня шламом.
Ясы закрытого типа имеют изолированную от внешней среды тормозную камеру, которая заполнена вязким маслом