Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность бурения скважин во многом зависит от выбора и возможности поддержания оптимальных режимов работы машин и механизмов, среди которых одним из основных является буровой насосный агрегат (БНА).
В последние годы все большее распространение получают БНА с регулируемым электроприводом (постоянного тока, переменного тока по схеме АВК). Несмотря на очевидные выгоды применения регулируемого привода БНА, его более широкому внедрению и эффективному использованию препятствует недостаточная изученность рабочих процессов как в самом БНА, так и в его напорной гидравлической линии, включающей наземный манифольд, колонну бурильных труб, забойный исполнительный механизм (гидродвигатель и долото) и кольцевое затрубное пространство.
Наибольшее применение имеют БНА с тиристорным электроприводом постоянного тока. Режим работы БНА вследствие особенностей характеристик тиристорного преобразователя, поршневого насоса и долота имеет колебательный периодический характер и сопровождается непрерывными электромеханическими и гидравлическими циклическими процессами в БНА и его напорной магистрали, совокупность которых в этой связи можно и следует рассматривать как динамическую систему (ДС). Эффективность БНА в значительной степени зависит от колебательных процессов в ДС. Колебательные процессы особенно сильно проявляются при эксплуатации систем с распределенными параметрами, к которым относится напорная магистраль БНА. Известно, что при определенных условиях неравномерность расходов и давлений в магистрали может усиливаться в несколько раз. Пульсации расхода и давления отрицательно сказываются на скорости проходки, сроке службы забойного двигателя и долота, приводят к крутильным колебаниям гидродвигателя и к различным осложнениям в процессе бурения. Исследование динамических нагрузок в БНА показали, что колебания давления нагнетания увеличивают неравномерность крутящих моментов и приводят к снижению усталостной прочности деталей.
До настоящего времени при разработке регулируемых приводов БНА, систем их управления и гидравлических программ бурения колебательный режим работы
БНА не учитывается, а выбор электромеханических и гидравлических параметров производится на основе статического расчета, что не позволяет оптимизировать динамические режимы работы БНА и процессы в его напорной линии. Такой упрощенный подход во многом объясняется отсутствием достоверных математических моделей ДС БНА и методик ее расчета.
В этой связи возникает необходимость в создании математической модели, адекватно отражающей весь комплекс взаимосвязанных между собой процессов, определяющих динамический режим БНА, а также в разработке прикладных программ и методик, с помощью которых могут быть получены рациональные сочетания параметров системы, обеспечивающие ее оптимальные динамические характеристики и алгоритмы управления.
Цель работы. Повышение технико-экономических и качественных показателей бурения, снижение динамических нагрузок в БНА и его напорной линии путём оптимизации режимов их работы.
Основные задачи исследования. 1. Разработка математической модели ДС БНА с учётом параметров и характеристик электропривода, бурового насоса, пневмо-компенсатора, напорной магистрали и забойного исполнительного механизма, а также с учётом влияния волновых процессов в гидроканале бурильной колонны и за-трубном кольцевом пространстве скважины.
-
Разработка методики численного решения математической модели ДС БНА..
-
Экспериментальная проверка предложенной математической модели и методов ее численного решения.
-
Исследование динамических характеристик БНА с учетом взаимного влияния механической и гидравлической подсистем БНА.
-
Разработка методики и пакета прикладных программ для расчета и оптимизации режимов работы БНА и гидродинамических процессов в его напорной линии.
Научная новизна. Предложена математическая модель ДС БНА, учитывающая взаимосвязь процессов в механической и гидравлической подсистемах.
Уточнены граничные условия гидравлической подсистемы, учитывающие влияние термодинамических процессов в пневмокомпенсаторе, характеристик забойного исполнительного механизма и кольцевого затрубиого пространства.
Разработан метод численного решения, обеспечивающий устойчивость расчета расходов и давлений в различных сечениях магистрали.
Определены основные критерии подобия ДС, позволяющие оптимизировать режим работы БНА и его напорной линии.
Практическая ценность. Разработана методика и пакет программ расчёта ДС БНА позволяющие определять динамические характеристики системы и оптимизировать параметры и режимы работы БНА (частотная отстройка напорной линии, настройка пневмокомпенсатора и-выбор жесткости механической характеристики электропривода).
Получены динамические характеристики электрической, механической и гидравлической подсистем в реальных условиях бурения скважин установками БУ-2500/160 ЭП (ЭПК).
Разработан лабораторный стенд, Позволяющий имитировать и исследовать различные режимы работы ДС БНА.
Реализация работы. Основные результаты проведенных исследований использованы в "Методике оптимизации гидравлической программы и режима бурения скважин при использовании регулируемого привода буровых насосов", утверждённой РАО "Газпром" и ГП "Роснефть".
Математическая модель ДС БНА используется в алгоритмах АСУ режимом бурения горизонтальных скважин, разрабатываемой ГАНГ им И.М.Губкина.
Апробация работы. Работа выполнена в рамках комплексной программы по оптимизации режимов бурения скважин, проводимой на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности ГАНГ им. И.М.Губкина по техническим заданиям РАО "Газпром" и ГП "Роснефть".
Основные положения работы доложены на научно-технической конференции, посвященной 70-летию первого выпуска российских инженеров нефтяников (Москва, 1994); на 50-й Юбилейной межвузовской студенческой научной конференции (Москва, 1996); на научно-технической конференции, посвященной 850-летию г. Москвы (Москва, 1997); а также на научных семинарах кафедры машин и оборудования ГАНГ им. И.М.Губкина.
"Методика оптимизации гидравлической программы и режима бурения сква-
жин при использовании регулируемого привода буровых насосов" апробирована в промысловых условиях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения.
