Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ОТРАБОТКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ В КОМПОНOВКЕ БУРИЛЬНО-КОЛОННО ВИБРОГАСЩИХ УСТРОИСТВ
Выводы к 1-й главе 16
2. ОТКАЗЫ ТУРБОБУРОВ ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ 20
2.1 Внезапные отказы турбобуров 22
2.2. Постепенные отказы турбобуров 34
Выводы к 2-й главе 40
3. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТУРБОБУРА В ПРО-ЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН 44
3.1 Исследования материала конусно-шлицевой полумуфты шпиндельной секции турбобура 44
3.2. Постановка задачи по исследованию упруго-напряженного состояния турбобура и его элементов 49
3.3. действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной скважине. Выбор оптимальной длины шпиндельной секции турбобуров 50
3.4. Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров при бурении обычными компоновками 59
3.5. Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров с включением в компоновку нижней части бурильной колонны центрирующего элемента 69
Выводы к 3-й главе 74
4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОМПОНОШі НИЖНЕЙ
ЧАСТИ БУРИЛЫШ КОЛОННЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ГАСИТЕЛЕ 76
4.1. Модель устройств подавления вибраций гидродинамического принципа действия 76
4.2. Уравнение движения компоновки нижней части бурильной колонны с виброгасителем типа Гц и ДГ 79
4.3. Аппроксимация невязкого демпфера 63
4.4. Решение системы уравнений движения колебательной модели 67
4.5. Оценка эффективности гашения продольных колебаний бурильного инструмента виброгасителями типа Гц и ДГ 93
Выводы к 4~й главе 102
5. РАЗРАБОТКА НАДДОЛОТНЬХ.. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОШТВ ДЛЯ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ТУРБОБУРА В СОСТАВЕ КОМПОНОВКИ ПРИ ПРОВОДКЕ НЕШННХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН 106
5.1. Разработка конструкций технических средств подавления вибраций 107
5.1.1. Конструкция наддолотного демпфера типа ДГ 106
5.1.2. Конструкция демпфера типа ДГМ щ
5.1.3. Конструкция гидравлического центратора типа Гц... 113
5.2. Теоретическое обоснование демпфирующих устройств при гашении продольных колебаний оурильного инструмента 116
5.3. Промысловая отработка конструкции разработанных устройств 12Ь
5.4. Результаты опытного бурения с применением гидродинамических устройств 134
5.5. Экономическое обоснование применения гидродинами ческих вибро гасителей 139
Выводы к 5-й главе 141
6 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 143
ЛИТЕРАТУРА 146
- АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ОТРАБОТКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ В КОМПОНOВКЕ БУРИЛЬНО-КОЛОННО ВИБРОГАСЩИХ УСТРОИСТВ
- Внезапные отказы турбобуров
- Исследования материала конусно-шлицевой полумуфты шпиндельной секции турбобура
- Модель устройств подавления вибраций гидродинамического принципа действия
- Разработка конструкций технических средств подавления вибраций
Анализ исследование по отработке двигателей при наличии в компонoвке бурильно-колонно виброгасщих устроиств
В процессе бурения нефтяных и газовых скважин шарошечными долотами имеют место продольные, поперечные и крутильные колебания бурильного инструмента. В настоящее время все эти колебания теоретически изучены в достаточной мере, чтобы решать широкий круг прикладных инженерных и научных вопросов.
Продольные, поперечные и крутильные колебания бурильного инструмента взаимообусловлены, и в литературе можно встретить постановку различных задач, связанных с решением совместных линейных или нелинейных дифференциальных уравнений одного вида колебаний, двух видов или всех трех [37] .
В ряде нефтяных районов страны и за рубежом успешно применяются различные виброгасящие устройства, выполненные как в виде самостоятельной секции, так и встроенными в забойный двигатель [13, 16, 23, 24, 65, 66, 71, 72, 75, 65, 66, 93 и др.] .
Использование виброгасящих устройств позволяет увеличивать показатели бурения скважин: проходку на долото, механическую и рейсовую скорости бурения, а также увеличивать межремонтный ресурс базовых узлов забойного двигателя и двигателя в целом.
Исследованию влияния колебаний бурильного инструмента на процесс бурения и работоспособность низа бурильной колонны посвящен ряд работ советских и зарубежных ученых.
В работах П.В.Балицкого и В.П.Балицкого [5 - 10], Н.А.Жидошева [32] , Р.А.Иоанесяна [36], В. Е. Копь лова [4б] , Н.Ф.Лебедева [46] , М.Р.Мавлютова [55] , В.В.Симонова [&4] , Б.З.Султанова [76] , Р.М.Эйгелеса [99] и других проведена систематизация источников возникновения различных видов колебаний разнообразных компоновок нижней части бурильной колонны в процессе проводки скважин и приведены основные зависимости, позволяющие с известной точностью математически описать все встречающиеся виды колебаний.
Большое количество работ посвящено экспериментальному исследованию колебаний бурильной колонны как в лабораторных, так и в промысловых условиях, особенно продольных колебаний, которые играют ведущую роль в колебательных процессах, происходящих на забое скважины, в бурильной колонне, забойном двигателе и так далее.
В работах В.П.Балицкого, М.И.Ворожбитова, Б.Я.Веремейкина, Г.Н.Дранкера, В.Е.Копылова, С.Д.Симонянца и других, а также зарубежных авторов: Боги, Бредбери, Дейли, Дейринга, Каннингехема, Миллера, Пасле и других приводятся результаты измерения динамических сил, действующих на нижнюю часть бурильной колонны, и кинематических параметров долота при бурении скважин различными забойными компоновками.
Внезапные отказы турбобуров
Другой пример: некачественная термообработка материала базовых узлов турбобура , выдалняемая заводом изготовителем лабораторные испытания материала узлов показали, что пластические свойства материала находятся на нижнем пределе и значение ударной вязкости после термоотрабогки значительно ниже стандартного требования (см.табл. 3.2 следующей главы). Как показала практика эксплуатации турбобуров, основным узлом, который характеризует межремонтный ресурс ;их эксплуатации, а также энергетические показатели забойного двигателя, является осевая опора. Данные причины послужили "отправной точкой" при создании шпиндельных турбобуров, позволивших производить смену отказавшей шпиндельной секции непосредственно на буровой, продлевая тем самым межремонтный ресурс забойного двигателя в целом. Вынос осевой опоры в отдельную, легко заменяемую секцию, является выходом из положения, но не решает проблемы в целом. Анализ отказов рассматриваемого узла позволил выявить следующие виды разрушений.
К внезапным отказам осевой опоры отнесены поломка остова подпятника, раздробление дисков пяты, отслоение резины (рис.2.5). Причиной слома осевой опоры может быть неправильная термическая обработка дисков пяты, некачественное гуммирование подпятника, действие динамических осевых сил, а также отклонение от нормальных условий эксплуатации (удар о забой или уступ скважины, "рас-хаживание турбобура", коррозионное воздействие агрессивных сред; несоблюдение правил погруэочно-разгрузочных работ).
Разборка отказавших забойных двигателей позволила установить также отказы радиальной опоры. Как уже было отмечено выше, характерным внезапным отказом для турбобура ЗТСШ-172 является обрыв внутреннего кольца по сварке (рис. 2.6) и отслоение резины у радиальных опор (рис. 2.7).
Другим часто наблюдаемым отказом является слом лопастей ротора и статора турбин (рис. 2.6). Причинами данного вида отказов, как правило, являются эашламление турбобуров из-за некачествен-ной очистки промывочной жидкости, применение наполнителей для борьбы с осложнениями (кордного волокна, опилок) и отсутствие обратного клапана в турбобуре.
Исследования материала конусно-шлицевой полумуфты шпиндельной секции турбобура
Большая Аварийность соединительного узла нижней турбинной секции со шпиндельной секцией вызвала необходимость проведения лабораторных исследований механических свойств И химического состава материала, из которого изготавливаются конусно-шлицевые полумуфты шпинделя [5l] .
Материал конусно-шлицевои полумуфты, кроме высоких значений параметров предела прочности ( бв ) и предела текучести ( бт ), должен обладать высокими параметрами ударной вязкости ( Он ), коррозионно-усталосгной прочности и износостойкости. Необходимость высоких значений этих параметров обусловлена такими эксппуа тационными факторами, как большие (по абсолютным значениям) передаваемые нагрузки, циклический характер нагрузок и напряжений, гидроабразивное и коррозионное воздействие промывочной жидкости, а также наличие концентраторов напряжений в конструкции конусно-шлицевой полумуфгы.
В качестве материала для изготовления конусно-шлицевой полумуфты применяется сталь марки 4QXH2MA ГОСТ 4543-71. Эта сталь высококачественная, доэвгектоидной группы, отличающаяся высокими механическими характеристиками после закалки и отпуска.
Для проверки соответствия фактических характеристик требованиям ГОСТ 4543-71 сталь марки 4QXH2MA была подвергнута исследованиям на предмет определения химического состава и механических СВОЙСТВ.
Образцы стали вырезались из материала сломанной конусно-шлицевой полумуфты шпиндельной секции.
class3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОМПОНОШі НИЖНЕЙ
ЧАСТИ БУРИЛЫШ КОЛОННЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ГАСИТЕЛЕ class3
Модель устройств подавления вибраций гидродинамического принципа действия
Рассмотрим продольные колебания бурильного инструмента когда в компоновку нижней части бурильной колонна между долотом и шпинделем ааооиного двигателя установлено устройство подавления вибрации гидромеханического принципа действия.
Из принципа работы Гц-215,9 и ДГ-195 (см.главу 5) следует, что в момент движения долота со штоком вверх жесткость жидкостных пружин увеличивается, а при обратном движении жидкостные пружины распрямляются. С учетом вышеописанного, заменяя рабочие узлы гидравлического устройства на простые среды, модель виброгасителя представляется схемой, показанной на рис. 4.1, где элементы 1 - Ш механические модели идеализированных узлов рассматриваемых устройств. Элемент 1, представленный в виде вязкого тела, состоящего из поршня, двигающегося в цилиндре с вязкой жидкостью, является моделью дросселя, встроенного в шток виброгасителя. Элемент П - гидравлическая рабочая полость, образованная плавающей втулкой и корпусом виброгасителя. Элемент Ш, представленный в виде идеализированной пружины, является моделью амортизатора, выполненного в виброгасителе на полимерно-металлической основе.
В общем случае в представленную модель гасителя можно включить четвертый элемент, выражающий упругие свойства подвижного штока центратора и долота, но в виду того, что коэффициент жесткости этого элемента бесконечно велик, в дальнейшем считаем, что ухабы забоя действуют непосредственно на виброгаситель.
Упругие свойства сжатой части бурильной колонны можно смоделировать в виде идеализированной пружины. С учетом приведенных рассуждений механическая модель нижней части бурильной колонны в компоновке с гидродинамическим виброгасителем представлена на рис. 4.2, где элемент 1У моделирует упругие свойства сжатой части колонны бурильных труб.
class4 РАЗРАБОТКА НАДДОЛОТНЬХ.. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОШТВ ДЛЯ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ТУРБОБУРА В СОСТАВЕ КОМПОНОВКИ ПРИ ПРОВОДКЕ НЕШННХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН class4
Разработка конструкций технических средств подавления вибраций
Отмеченный выше эффект дросселирования потока промывочной жидкости был положен в основу разработки многочисленных конструкций виброгасителей гидродинамического принципа действия. Рабочим элементом в предлагаемых конструкциях был выбран поршень, жестко связанный со штоком, внутри которого размещался струйный насос. Перепад давления, срабатываемый в насадке струйного насоса, за счет истечения промывочной жидкости и относительного движения самого насоса в такт колебательным процессам, происходящим на забое, создает мощную жидкостную пружину, способную эффективно работать при различных частотах возмущения. Предлагаемая конструкция [lOl, 104, 10б] представлена на рис. 5 1. Демпфер типа ДГ представляет собой устройство, состоящее из корпуса 1, внутри которого выполнен плавающий поршень 2, жестко связанный с полым штоком 3» Внутри штока 3 размещается струйный насос, состоящий из конфузора 4, насадки 5 и диффузора 6. Камера смещения А струйного насоса через каналы штока В и отверстия корпуса демпфера В гидравлически связана с затрубным пространством.
Для передачи крутящего момента в корпусе 1 демпфера выполнены пазы, которые взаимодействуют с ответными пазами штока 3 посредством шпоночного соединения . Над поршнем 2 образована рабочая камера Г, гидравлически связанная с внугритрубным пространством демпфера посредством калиброванных отверстий Д, выполненных в плавающей втулке 6, установленной внутри штока 3 Для соединения демпфера с валом забойного двигателя корпус снабжен переводником 9. Рабочая полость Г снабжается упругими элементами 10, выполненными на полимерной основе
