Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследуемого вопроса.
1.1. Современное состояние исследуемого вопроса... 6
1.2. Цель работы и задачи дальнейших исследований. 43
1.3. Методика исследований 48
Глава 2. Экспериментальные исследования влияния парамет ров системы "колонна-скважина" на показатели бурения 51
2.1. Методика проведения эксперимента 51
2.2. Обработка результатов 56
2.3. Анализ полученных результатов. Выводы 71
Глава 3. Исследование работы бурильной колонны при холостом вращении 80
3.1. Экспериментальные исследования работы бурильной колонны при холостом вращении 80
3.2. Минимальная теоретическая модель бурильной колонны 130
3.3. Экспериментальная проверка теоретических выводов 143
3.4. Выводы 151
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования работы бурильной колонны, нагруженной осевой силой 154
4.1. Экспериментальные исследования влияния осевой нагрузки на вид движения бурильной колонны... 154
4.2 Обоснование оптимального вида движения бурильной колонны в сжатой зоне 162
4.3. Теоретическая модель бурильной колонны. 163
4.4. Анализ результатов численных экспериментов на модели 172
4.5. Выводы 176
Глава 5. Контроль за поведением бурильной колонны в процессе бурения 178
Глава 6. Производственные испытания колонны со смещенной массой. 205
6.1. Конструкция колонны 205
6.2. Район испытаний 205
6.3. Программа испытаний 207
6.4. Результаты проведенных испытаний 207
6.5. Анализ полученных результатов 207
6.6. Выводы 229
Выводы и рекомендации 230
Литература 234
Приложения 244
- Минимальная теоретическая модель бурильной колонны
- Обоснование оптимального вида движения бурильной колонны в сжатой зоне
- Анализ результатов численных экспериментов на модели
- Контроль за поведением бурильной колонны в процессе бурения
Введение к работе
В настоящее время перед геологоразведочной службой страны стоит задача дальнейшего расширения области эффективного применения высокооборотного алмазного бурения за счет увеличения объемов его применения в сложных горно-геологических условиях. Имеют место тенденции к увеличению глубин скважин, повышению интенсивности их искривления, уменьшению их диаметра и т.д.
Расширение областей применения высокооборотного алмазного бурения, применение форсированных режимов бурения привело к тому, что в последние годы отмечается стойкая тенденция к падению проход- ../' ки на породоразрушающий инструмент и соответственно к повышению расхода алмазов. Причем такая тенденция имеет место даже не смот- / ря на постоянное совершенствование конструкций породоразрушающего инструмента.
Эксперименты, проведенные сотрудниками ИСМ Ж УССР, показали, что при бурении коронками типа БСС в условиях стенда (без бурильной колонны) проходка на коронку достигала 200 м, в производственных условиях проходка на коронку по идентичным породам более чем на порядок ниже.
Данные результат однозначно указывает на значительное влияние работы бурильной колонны на показатели бурения. Следовательно, одним из путей совершенствования технологии алмазного бурения и улучшения его показателей является оптимизация системы колонна-скважина, в особенности на участке сжатой зоны бурильной колонны.
Поэтому проектирование оптимальных систем колонна-скважина, т.е. определение оптимального набора параметров системы "колонна-скважина" является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния параметров системы %эдпнна-скважина" на показатели бурения и разработке мето-
дов оптимизации режима работы сжатой бурильной колонны за счет выбора оптимального набора параметров системы. Проведенные исследования позволили разработать и внедрить конкертные методы, позво- V ляющие усовершенствовать систему "колонна-скважина", повысить производительность и снизить себестоимость бурения.
Работа выполнена на кафедре Разведочного бурения МГРИ.
Экспериментальные исследования были выполнены на горизонтальном стенде Загорского полигона МГРИ и в производственных условиях ПГО "Севзапгеология".
Результаты исследований опубликованы в 4 статьях, 5 брошюрах, освещены в 5 научно-исследовательских отчетах, обсуждались на научно-технических советах ПГО "Севзапгеология", Мурманской ГРЭ, Северной ГЭ, школе передового опыта бурения геологоразведочных скважин в Мурманской ГРЭ, научно-технических совещаниях Мингео РСФСР, на научных конференциях МГРИ и внедрены при разведке месторождений в Северной ГЭ.
Научное руководство осуществлялось Заслуженным геологом РСФСР доктором технических наук, профессором Воздвиженским Б.И. которому автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность.
Автор выражает благодарность доценту В.П.Зиненко, доценту К.А.Боголюбскому аспиранту Г.В.Суслову за конструктивные критические замечания и консультации, сотруднику ОШШ ТРБ Новожилову Б.А. за практическую помощь при проведении исследований.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 149 страницах машинописного текста, иллюстрирована 102 рисунками, 3 таблицами, пояснена 5 приложениями. Список использованной литературы включает 100 наименований.
Минимальная теоретическая модель бурильной колонны
Анализ полученных на горизонтальном стенде результатов показывает, что они отличаются от аналогичных, полученных при использовании вертикального стенда: иное движение при малых частотах вращения, отсутствие прямой прецессии при непрерывном контакте со стенками скважины и др. (см. / 7, 23, 24/). Для того, чтобы показать непротиворечивость результатов, полученных при использовании вертикального и горизонтального стендов, на базе экспериментальных данных, полученных на горизонтальном стенде, была построена минимальная теоретическая модель, описывающая закономерности возбуждения различных видов движения бурильной колонны в вертикальной скважине (при отсутствии возмущающего действия силы веса). Согласно проведенным стендовым исследованиям и результатам анализа литературы основные закономерности возбуждения и смены различных видов движения в вертикальной скважине описываются следующим образом: а) При малых значениях частоты вращения бурильная колонна совершает движение при непрерывном контакте колонны со стенкой скважины по направлению вращения. Роль силы трения - возмущение движения при непрерывном контакте со стенкой скважины. б) При увеличении частоты вращения величина возмущения, создаваемого силами трения, возрастает, нарушается устойчивость движения при непрерывном контакте колонны со стенкой скважины и в системе поддерживаются движения с соударениями. Причем эти движения характеризуются несиназностью вектора перемещения и вектора центробежной силы. При увеличении частоты вращения траектория движения все более отличается от прямой круговой прецессии: амплиту да поперечных перемещений центра сечения стремится к нулю. в) Переход к обратной прецессии осуществляется за счет тангенциальной составляющей ударного импульса при стремлении к нулю амплитуды поперечных перемещений центра сечения. г) Обработка опытных данных показала, что основными параметра ми системы "колонна-скважина" являются: радиальный зазор, коэффициент трения на контакте "колонна-скважина" и величина неуравновешенности сечений колонны. Главную роль среди параметров режима бурения играет частота вращения.
С учетом полученных результатов при построении минимальной теоретической модели была принята следующая расчетная схема: невесомый вал с диском, находящимся в оболочке с зазором. Предполагается, что в сечении диска сосредоточена вся масса систем. Уравнения движения диска на интервалах между соударениями диска с оболочкой (считаем, согласно вышеизложенному, что основные виды движения характеризуются соударениями определенной интенсивности со стенками скважины, а виды движения, характеризующиеся непрерывным контактом со стенкой сквашшы, являются предельными случаями) записываются согласно / 18 / с,к - коэффициенты жесткости на изгиб и кручение; 6 - эксцентриситет массы диска; Мприв- момент, развиваемый приводом; Мсолр- момент сопротивления. На основе анализа экспериментальных данных сделаем следующие упрощения: 1. С = 0. Так как жесткость, согласно экспериментальным данным, не оказывает значительного влияния на поведение системы. 2. "цг = соz const . Несмотря на то, что при ударах возникает імпульс силы трения частота вращения, как показывает обработка опытного материала, не меняется. Возможно, что увеличение скорости съемки позволит отглетить изменение частоты вращения при соударениях, но и восстановление ее до прежнего уровня произойдет за очень короткий промежуток времени - значительно меньший, чем промежуток времени между ударами, поэтому данное допущение остается в силе. Принятые допущения позволяют существенно упростить модель. Задача сводится к анализу движения точечной массы m при периодических соударениях ее с цилиндрической оболочкой радиуса г равного радиальному зазору в системе.
Обоснование оптимального вида движения бурильной колонны в сжатой зоне
Проведенные исследования по оценке влияния осевой нагрузки на вид движения бурильной колонны показали, что переход к обратной прецессии при увеличении осевой нагрузки осуществляется менее жестко, чем при увеличении частоты вращения. Иначе говоря, переход осуществляется через ориентировочную цепочку образом, даже энергетически удовлетворительные виды движения (без значительного прироста мощности) сопровождаются элементами качения. Эксперименты показали, что движение бурильной колонны передается (с определенными деформациями) и колонковой трубе, а следовательно, и алмазной коронке. В то же время проведенные исследования и анализ данных других исследователей показывают, что даже элементы качения являются чрезвычайно опасными для работы по-родоразрушающего инструмента и отрицательно сказываются на выходе керна. Так на горизонтальном стенде были проведены исследования по влиянию режима работы бурильной колонны на выход керна [ 68 _/. При "вибрационном" режиме работы бурильной колонны (когда наблюдались элементы качения) показатель выхода керна значительно снижался. Автор fTLj отмечает, что при обратной прецессии снаряда наблюдается интенсивный износ подрезных алмазов и заполирование торцевых.
В процессе проведения исследоззаний на горизонтальном стенде было отмечено, что при появлении элементов качения отмечается катастрофический износ внешних подрезных элементов и участков торца коронки, расположенных ближе к наружному диаметру (образование фасок, скол алмазов, заполирование матрицы и т.д.) (см. гл. I). Одной из гипотез, объясняющих причины такого положения вещей, является утверждение о перераспределении нагрузки под торцом коронки при изменении ее вида движения. Оценим закон распределения нагрузки под торцом коронки, используя зависимость, описывающую закон внедрения резца при движении его по забою, полученную В.С.Вдалиславлевым / 34/. Считая коронку однородной шероховатой поверхностью, можно определить скорость бурения элементарным участком коронки как где: V0Kp - скорость движения данного элемента поверхности коронки; Р - нагрузка на этот элемент. Используя данное выражение, получим закон распределения давления под торцом коронки в зависимости от вида ее движения. 1. Вращение вокруг собственной оси. Из симметрии задачи оче видно : где: Р - расстояние от данной точки коронки до ее центра. Отсюда, учитывая, что скорость бурения каждым элементом коронки долясна быть одинакова, получим: 2.
Прямая прецессия коронки (для простоты будем считать, что имеет место разработка скважины, равная л ). Введем координаты фиксированной точки коронки, связанной с ее центром: р - расстояние от центра коронки до данной точки; ш - угол между радиус-вектором данной точки коронки и радиус-вектором ее центра (в системе координат с началом в центре скважины). Эпюры распределения нагрузки под торцем коронки при этих видах движения приведены на рис.4.6. Отметим, что в обоих случаях Р не зависит от времени. Эпюра распределения давлений в фиксированный момент времени под торцом алмазной коронки приведена на рис.4.7 (учтем, что реально Р/оо и ограничено нагрузкой, необходимой на вдавливание, - таким образом, разрушение периферийных участков забоя происходит не за счет резания, а за счет вдавливания). Зависимость Р (г ,t ) приведена на рис.4.8. Согласно данной зависимости, нагрузка на алмазы (особенно периферийные), даже если имеют место только элементы качения, является весьма значительной и переменной во времени, что несомненно должно приводить к скалыванию (либо выкрашиванию) алмазов и опережающему износу участков торца, расположенных ближе к внешнему диаметру коронки. Полученный результат однозначно указывает, что в сжатой зоне необходимо обеспечить такой вид движения, при котором элементы качения гарантированно отсутствуют. Поэтому представляется вполне очевидным, что параметры системы должны обеспечить прямую прецессию при непрерывном контакте со стенкой скважины, чтобы гарантированно отстроиться от возможности возбуждения элементов качения (что невозможно при движении типа $2 ВВИДУ "мягкого" возбуждения обратной прецессии при увеличении осевой нагрузки). Следовательно, с учетом результатов данного раздела, а также главы 3 и раздела 4.1, можно сформулировать, каковы должны быть параметры системы на участке сжатой зоны бурильной колонны. Идеальной системой следует считать систему, включающую бурильную колонну, собранную из труб с минимальной кривизной и неосно-стью и обладающих эксцентриситетом центра инерции сечений, позволяющим обеспечить прямую прецессию бурильной колонны при данном диапазоне возможного изменения радиального зазора, коэффициента трения и других параметров ствола, причем номинальный радиальный зазор должен быть минимально возможным.
Анализ результатов численных экспериментов на модели
Численные эксперименты на модели системы "колонна-скважина" были проведены для систем, включающих бурильную колонну ЛБТН-54. Сравнивались системы, включающие "реальные" трубы ЛБТН-54 и трубы ЛБТН-54 с различной величиной эксцентриситета центра инерции сечения. "Реальныё"трубы ЛБТН-54 моделировались путем задания величин эксцентриситетов центров инерции сечений методом Монт-Карло в диапазоне 0-2 мм, начальные фазы векторов эксцентриситетов также задавались методом Монте-Карло. Трубы ЛБТНО-54 (предлагаемой конструкции) моделировались путем задания одинаковых начальных фаз векторов эксцентриситетов 1) для всех масс, моделирующих конкретную бурильную трубу , фазы эксцентриситета для бурильных труб задавались методом Монте-Карло. Начальные условия задачи в обоих случаях выбирались одинаковыми и также задавались методом Монте-Карло.
Полученная в результате расчета информация представляла собой траекторию установившегося в системе движения (траекторию любой массы модели). Траектории анализировались визуально. Расчеты проводились при следующих значениях параметров режима бурения; осевая нагрузка (Р) 500 и 1000 даН, частота вращения (ті ) 800 об/мин. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы: I. При данном наборе параметров системы "колонна-скважина" существует некоторое граничное значение коэффициента трения, отделяющего области возбуждения качения от областей возбуждения иных видов движения (типа Ф ). 1 ТУ ЛБТН-5"4 в вертикальной скважине і = 60 мм это значение лежит в пределах 0,15 Л 4 0,20, для труб ІБТНС ( S = 3 мм) - 0,30 А 0,40. 2» Уменьшение радиального зазора (jzf скважины 56 мм) уменьшает граничное значение коэффициента трения для труб ЖЕН : 0,104X40,15 3. При увеличении осевой нагрузки значение вектора эксцентри ситета, при котором качение не возбуждается, составило 3 мм при Р = 500 даїї, 6. мм при Р = 1000 даН ( X = 0,3). 4. Проведенные расчеты не позволили оценить влияние угла на клона скважины и интенсивности искривления на величину граничных значений параметров. Отмечена лишь значительная деформация полу ченных траекторий движения. То же касается изменения взаимного направления векторов эксцентриситетов труб. Полученные результаты подтвердили, что в условиях сравнительно большого трения прішенение труб со смещенным одинаково по всей длине трубы центром инерции является способом оптимизации режима движения бурильной колонны.
Поэтому с учетом результатов, полученных ранее, был разработан следующий алгоритм оптимизации режима работы бурильной колонны за счет использования труб со смещенным центром инерции. ось СО)Ч\ j-s inae-L cosetLv 2. Выбирается бурильная колонна, обеспечивающая минимальный зазор для данного номинального диаметра скважины, задается предельно возможная величина радиального зазора, коэффициента трения осевой нагрузки и частоты вращения 3. Задается величина начальных фаз векторов эксцентриситетов труб методом Монте-Карло. 4. Задаются наиболее неудачные для возбуждения режимов движения отличных от качения начальные условия: вектора X (0), V (0), так, чтобы х + у -C i-rf . 10 , компоненты векторов л (0),V (0) определяются по формуле 5. Последовательно проводятся расчеты при фиксировании (начиная с малых) значений , с определенным шагом. Оптимальной считается система с минимальным значением , для которой устанавливается режим, отличный от качения. Однако расчеты, проведенные по данной схеме с ужесточенными начальными условиями, дают конструктивно невыполнимые значения эксцентриситета. Так, для системы: \ = 0,2 jzfCK6 = 60 мм, трубы ЛБТНС, осевая нагрузка 1000 даїї, частота вращения 800 об/мин, оптимальное значение эксцентриситета составило 25 мм, что практически невозможно выполнить. Б то же время расчеты, проведенные при тех же значениях параметров системы, но других начальных условиях, заданных методом Монте-Карло, дают оптимальное значение S = 3 мм. Следовательно, режим движения, устанавливающийся в системе, зависит от начальных условий.
Контроль за поведением бурильной колонны в процессе бурения
В процессе бурения параметры системы "колонна-скважина" постоянно изменяются: ствол скважины постепенно разрабатывается, меняется коэффициент трения на контакте "колонна-скважина" за счет вымывания смазки и т.д., а следовательно становится возможным возбуждение нежелательных видов движения бурильной колонны. Поэтому на этапе управления процессом бурения важнейшей задачей является оперативное распознавание нежелательных видов движения бурового снаряда с целью принятия соответствующих мер для их устранения [ IIJ Приведенные выше данные показывают, что наибольшую опасность для сохранности бурильной колонны, а также для правильной оценки забойной ситуации и т.д. представляет обратная прецессия бурильной колонны. Выделяются три группы методов диагностики обратной прецессии снаряда: прямые методы, косвенные с запаздыванием информации, косвенные оперативные методы [ IIJ . Прямые методы состоят в непосредственном измерении параметров движения бурового снаряда (или напряжений в теле труб), и для их реализации необходим надежный канал связи с местом установки датчиков (либо самопишущий забойный прибор).
В настоящее время прямые методы не реализованы, за исключением случая возбуждения обратной прецессии в приустьевой зоне, где данный вид движения может быть зафиксирован визуально, или с помощью специальных датчиков [ IIJ . К косвенным методам с запаздыванием информации относятся визуальные наблюдения за характером износа снаряда и кернообразова ниєм после окончания рейса, благодаря которым уточняются параметры кинематики, расположение очага возбуждения обратной прецессии и, соответственно, способы его предупреждения или устранения в конкретных условиях. Основными признаками качения являются: - боковое фрезерование стенок скважины и столбика керна - интенсивный износ подрезных алмазов и заполирование торцевых - специфический износ поверхности гладкоствольных колонн и колонковых труб в виде винтовой ленты небольшого шага (12-15 см) в начальный период их эксплуатации. Равномерный износ элементов снаряда на участке отличающемся по диаметру в большую сторону и соседним с участком, совершающим обратную прецессию [П, 14]; - кроме того, как показали наши исследования на горизонталь ном стенде, при обратной прецессии снаряда уменьшается показатель выхода керна, диаметр керна 36 J, а также наблюдается опережа ющий износ участка торца коронки, расположенного ближе к наружно му диаметру. Основную роль в диагностике обратной прецессии играют оперативные косвенные методы. Анализ влияния віща движения типа обратной прецессии на показатели бурения позволяет выделить группу приборов, по изменению показаний которых может быть диагностирована обратная прецессия: - измеритель "веса" снаряда (нагрузки на забой); - измеритель механической скорости бурения; - измеритель мощности (крутящего момента). При обратной прецессии снаряда "вес" снаряда уменьшается по сравнению с "весом" снаряда при других видах движения (усилия дли продвижения снаряда в горизонтальной скважине растут), осевая нагрузка на забой уменьшается, а, следовательно, уменьшается и механическая скорость. Поэтому при возбуждении обратной прецессии в процессе бурения при неизменных его параметрах в случае использования станка с регулятором подачи, обеспечивающим постоянную нагрузку на забой (например гидравлическая с дросселем в нагнетательной линии), нагрузка на забой незначительно растет при бурении с нагрузкой (незначительно падает при бурении с разгрузкой) и, соответственно, значительно изменяется при использовании станков с регулятором подачи, обеспечивающим постоянную механическую скорость бурения (например гидравлическая с дросселем на сливе). На вертикальном стенде ВИТРа при вращении бурильной колонны ССК-59 (55 х 3,5 мм) проводились опыты по определению времени опускания снаряда при различных вариантах его движения, которые контролировались следящей системой датчиков. В каждом опыте буровой снаряд отрывался от забоя и приподнимался гидравликой станка на одну и ту же величину 250 мм. Затем на пульте управления гидросистемой станка после полного открытия дросселя рукоятка переключения ставилась в положение вниз и снаряд под действием своего веса и веса шпинделя опускался до забоя. При этом фиксировалось время опускания снаряда для следующих вариантов вращения колонны: 1. колонна не вращается; 2. колонна вращается в режиме 3 j с частотой 100, 500 и 1000 об/мин; 3. колонна вращается в режиме Ф3 с частотой вращения шпинделя 100 и 200 об/мин.
