Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Большие расходы, связанные с созданием новых буровых установок, ai высокие требования к качеству их исполнения повышают ответственность у конструкторов, которые не располагают инженерными методами динамического расчета агрегатов и вынуждены оценивать действующие нагрузки ориентировочно.
Методика определения динамических 'нагрузок с использованием экспериментальных значений коэффициентов динамичности обладает существенным недостатком, так как рекомендованные их значения получены на основе испытаний отдельных типов буровых установок и они не раскрывают своей сущности, не отражают степени влияния тех или иных факторов и параметров самих установок на величину возникающих динамических нагрузок. При проектировании бурового оборудования выбираемый коэффициент запаса по своему значению, как правило, превосходит значение коэффициента динамичности. Излишняя осторожность при выборе этого запаса приводит к перерасходу не только машиностроительных материалов, но и энергетических ресурсов. При этом не исключается наличие слабых мест в конструкции агрегатов, определяющих их надежность.
При бурении скважин с морских судов буровая установка вместе с судном образуют единую механическую систему. И если при бурении на суше возникающие упругие колебания передаются на грунт, то в морских условиях они воспринимаются корпусом судна без исключения возможности возникновения резонансных явлении.
Анализ работ по исследованию динамики буровых установок показывает, что большинство из них затрагивают вопросы динамики подъема бурильной .колонны. Однако, как подтверждают результаты экспериментальных исследований, наибольшие динамические нагрузки при спуско-подъемиых операциях возникают в период торможения спускаемой колонны. При спуско-подъемиых операциях ускоренное и замедленное движение колонны вызывает колебательные движения долота и, как следствие, колебания гидродинамического давления в стволе скважины, что отражается на це-
лостности и состоянии ее стенок, приводит к усталостному их разрушению, к осложнениям процесса бурения, потере производительного времени и может существенно сказываться на гидродинамическом совершенстве связи ствола скважины с продуктивными пластами.
Колебания давления в стволе скважины могут возбуждаться также поршневыми буровыми насосами. Расчет и конструирование компенсаторов буровых насосов осуществляются без учета динамических явлений, возникающих при их эксплуатации. Неизученность динамики компенсаторов не позволяет достигнуть нужной степени гашения колебаний давления во всем диапазоне работы буровых насосов.
Одной из сложных аварий, возникающих при проводке скважин, является прихват бурильной колонны. Для ликвидации прихватов применяются ударные механизмы, включаемые в компоновку колонны. Применение таких механизмов связано с возбуждением упругих колебании, как в колонне, так и в талевой системе буровой установки. Определение возникающих динамических нагрузок позволяет прогнозировать условия безопасного ведения работ по ликвидации прихватов с помощью ударных механизмов без возможных осложнений, вызванных нарушением прочности, каїк бурильной колонны, так и элементов спуско-подъемного комплекса, повысить эффективность их применения.
Упругие колебания, возбуждаемые в буровых установка*, снижают их технический ресурс, увеличивают непроизводительное время при проводке скважин, объем ремонтных работ по восстановлению оборудования и уровень вибрации, вызывающей соответствующие заболевания обслуживающего персонала. Поэтому изучение закономерностей динамических явлений и снижение на их основе уровня динамического пагружения и вибрации оборудования является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное и социальное значение. Актуальность этой проблемы возрастает с увеличением глубины бурения скважин.
Одним из основных резервов повышения эффективности ведения буровых работ является повышение качества очистки бурового раствора от выбуренной породы, позволяющее за счет увеличения скорости бурения и проходки на долото сократить объемы спуско-подъемных операций, за счет снижения абразивного износа насосного оборудования и оборудования нагнетательной линии сократить объем ремонтных работ, снизить расходы та восстановление параметров бурового раствора. При этом улучшение технологического процесса очистки раствора должно осуществляться не только за 4
счет увеличения ступеней очистки и насыщения комплекса буровой установки соответствующим!! техническими средствами, по и путем совершенствования самих средств. Разработка конструкции вибросит, базирующихся на новых принципах действия, и методики их динамического расчета позволит обеспечить проведение работ по совершенствованию технологии очистки растворов н соответственно повысить эффективность бурения скважин.
Научно-исследовательские работы, выполненные в рамках диссертационных исследований, были предусмотрены планом Минвуза РСФСР в соответствии с комплексными программами «Надежность конструкций» тг «Нефть и газ Западной Сибири».
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение основных закономерностей динамических процессов, возбуждаемых в буровой установке при выполнении технологических операций, разработка комплекса методик динамического расчета агрегатов, и .рекомендаций по снижению уровня динамического нагружепия, вибрации оборудования, и принципиально нового направления в создании вибрационной техники для очистки буровых растворов от выбуреншой горной породы.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ. 1. Разработка математических моделей и зависимостей для расчета динамических нагрузок, возникающих в переходные периоды спуско-подъ-емных операций, в талевом канате, на крюке и конструкции вышки. Исследование влияния закономерности изменения избыточного тормозного момента на динамическое нагруже-ппе буровой установки. Теоретические и экспериментальные исследования коэффициентов динамической нагрузки и анализ закономерностей изменения их значений применительно к буровым установкам различного класса. Разработка методики расчета коэффициента запаса тормозшого момента главного тормоза лебедки с учетом динамики и инерционной характеристики спуско-подъмного механизма буровых установок.
-
Теоретические исследования динамического напруження буровой установки при подъеме бурильной колонны с подхватом с учетом ее жесткости, податливости талевой системы и наличия в ней зазоров.
-
Математическое моделирование динамических процессов при ликвидации прихватов бурильной колонны с помощью гидравлического яса, изучение их основных закономерностей и возбуждаемых в талевой системе и прихваченном участке динамических нагрузок.
-
Математическое моделирование параметров динамической характеристики компенсаторов буровых насосов с учетом их конструктивного исполнения.
-
Разработка рекомендаций по снижению уровня динамического нагружения, повышения технического ресурса и эффективности эксплуатации буровых установок па основе обобщения полученных результатов.
-
Математическое моделирование динамики вибрационного сита для очистки буровых растворов. Разработка и испытание опытного образца принципиально новой конструкции вибросита.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Выполнены исследования, позволившие на основе применения методов математической физики и теории упругих колебаний разработать зависимости для расчета динамических нагрузок в ходовой ветви талевого каната, на крюке, вышке, бурилыной колонне в период торможения главным тормозом ней спуске колонны; пси подъеме с подхватом с учетом зазоров в подъемном механизме, податливости талевого каната и подроторных балок; при ликвидации прхватов с помощью гидравлического яса, обеспечившие возможность впервые выявить влияние различных факторові параметров системы спуоко-подъемиого комплекса на возникающие динамические 'нагрузки, создать основы для разработки средств автоматического управления тормозной системы лебедки лги выполнении спуско-подъемных операций н обеспечить САПР буровых установок инженерной методологией динамического расчета с целью снижения уровня вибрации, повышения ресурса бурового оборудования и эффективности его использования.
С учетом структуры и кратности талевой системы спуско-подъемный комплекс впервые рассмотрен в виде многомассовых динамических моделей различной сложности, составлены и решены системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику буровых установок при выполнении различных технологических операций при проводке скважин.
Разработана методика динамического расчета компенсаторов поршневых насосов различных конструкций и вибрационного сита для очистки буровых растворов, позволившая перейти к разработке вибросит нового принципа действия, осуществленных на уровне изобретений.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. 1. Получены аналитические зависимости динамических нагрузок в талевом канате, на крюке, вышке 'И ускорения колебательного движения нижнего сече-6
кия колонны в переходные периоды спуско-подъемных операций от параметров и режимов эксплуатации буровой установки.
-
Определены расчетами и экспериментально значения коэффициентов динамической нагрузки талевого каната и на крюке при торможении спускаемой бурильной колонны и дан анализ значенням этих коэффициентов применительно к буровым установкам различного класса,
-
Дана оценка возбуждаемым упругим колебаниям нижнего сечения колонны при спуско-подъемных операциях и их влиянию на возникающие колебания гидродинамического ланленпя в 'кольцевом пространстве ствола скважины.
-
Установлено, что при времени нарастания тормозного момента главного тормоза лебедки менее, чем за 2—Зс, резко возрастает амплитуда упругих колебаний в системе и их роль в динамическом погружении спуско-подъемного механизма, снижающих технический ресурс н эффективность его эксплуатации.
-
Получена зависимость для расчета коэффициента запаса тормозного момента главного тормоза от инерционной характеристики и динамики спуско-подъемного механизма,-разработаны рекомендации по его расчету и снижению уровня возникающих динамических нагрузок. Произведен анализ значений коэффициента запаса тормозного мометта ленточных тормозов буровых лебедок.
-
Получены зависимости тормозного пути и времени торможения от параметров спуска колонны и определены их оптимальные значения, позволяющие осуществлять контроль и регулирование режима торможения при применении средств автоматического управления тормозной системой лебедки.
-
Получена зависимость жесткости конструкции ленточного тормоза лебедки от его технических параметров, позволяющая осуществлять оптимизацию конструкций тормозных систем на стадии их проектирования.
-
Разработана математическая модель, получены аналитические зависимости н дачі а оценка динамическим нагрузкам в канате при подъеме колонны с подхватом с учетом наличия зазоров в подъемном механизме и характеристики оперативной шинопневматическои муфты.
-
Выявлен оптимальный диапазон продольной жесткости конструкций вышек, позволяющий избежать резонансные явления в спуско-подъемном механизме буровых установок и обосновывать металлоемкость вышек.
10. Получены зависимости для расчета динамических па-
грузок в канате и прихваченном участке бурильной колонны
от параметров системы спуско-подъемного механизма и дана оценка влиянию расстояния от расположения ударного механизма в компоновке колонны до места прихвата на возникающие нагрузки.
-
Получены зависимости для расчета степени неравномерности давления и подачи поршневых насосов от динамических параметров компенсаторов, их технической характеристики и конструкции насоса, обеспечивающие возможность контроля -за эффективностью работы компенсаторов на стадии их проектирования.
-
Разработан, изготовлен л испытан в условиях бурения скважин опытный образец принципиально нового вибросита для очистки бурового раствора, обеспечивающего повышение степени очистки в 1,5 раза.
На основании проведенных исследовании разработаны рекомендации по снижению уровня динамического нагруже-ния спуско-подъемного комплекса буровых установок, позволяющие в период торможения спускаемой колонны в зависимости от ее веса в 4—8 раз уменьшить амплитуду упругих колебаний в талевом канате, соответственно уменьшить износ и его расход не менее чем на 26%, повысить технический ресурс агрегатов и снизить уровень их вибрации.
Разработанные методики расчета и технические рекомендации опубликованы в монографии н используются при расчетах буровых установок номенклатуры АО «Уралмаш», в качестве руководящих технических материалов внедрены и используются при автоматизированном проектировании спуско-подъемного комплекса буровых установок в ОКБ Волгоградского завода буровой техники, в КБ Самарского завода «Нефтемаш», а также изданы методические указания, применяемые в ВУЗах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались:
— на Второй Всесоюзной конференции но динамике и
прочности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1977 г):
— на Всесоюзном семинаре по новым достижениям в гидравлике промывочных растворов и тампонажних систем (г. Ивано-Франковск, 1982 г.);
на Четвертой Всесоюзной конференции по проблемам научных исследовании в области изучения и освоения Мирового океана (г. Владивосток, 1983 г.);
на Третьей Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1983 г.);
на Всесоюзной научно-технической конференции «Нефгь :i газ Западной Снблри. Проблемы добычи и транспортировав (г. Тюмень, 1985 г.);
на Научно-технической конференции факультета математических знании (г. Куйбыщев, 1985);
та Юбилейной научно-технической конференции, посвя-денион 400-летию города Куйбышева (г. Куйбышев, 1986 г.);
—на Всесоюзной конференции по эксплуатационной на-ісжности машин, роботов и модулей ГПС (г. Свердловск, і987 г.);
на Всесоюзной конференции по механике горных пород ірії бурении (г. Агой, 1988 г.);
на Областной научно-технической (конференции, посвя-ценной 60-стию института (г. Куйбышев, 1990 г.);
на Научно-техническом Совете нефтяного факультета ІамПИ (г. Самара, 1987, 1992 гг.);
на межкафедральном научном семинаре МИНГ (г. Мо-ква, 1987 г.).
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, іесятн глав, основных выводов, списка литературы и прпло-ксний, включает 258 страниц машинописного текста и 59 рн-унков, 201 наименование списка литературы. Приложения сложены па 8 страницах.
Автор благодарит д. т. н., профессора А. Л. Ильского за казанпую помощь н поддержку при выполнении работы.
