Содержание к диссертации
Введение
Антивибрационные стабилизирующие компоновки нижней части бурильных колонн для безориентированного бурения скважин 18
1.1. Полукачественная идентификация компоновок нижней части бурильной колонны при бурении забойными двигателями 21
1.2. Основные положения оптимального синтеза (проектирования) компоновок нижней части бурильной колонны 26
1.3. Особенности динамического формирования забоя скважин 32
1.4. Анализ исследований по отработке забойных двигателей при наличии в компоновке бурильной колонны виброгасящих устройств 43
1.5. Отказы турбобуров. Их классификация и анализ 49
1.5.1. Внезапные отказы турбуров 51
1.5.2. Постепенные отказы 58
1.6. Анализ современных исследований по отработке компоновок и их рабочих элементов 65
1.6.1. Обзор опубликованных материалов по исследованию компоновок и их рабочих элементов 65
1.6.2. Результаты анализа промысловых данных по отработке забойных компоновок 68
1.7. Обзор существующих технических средств и способов регулирования азимутального искривления ствола наклонных скважин 73
1.7.1. Анализ факторов, вызывающих изменение азимутального угла ствола скважины 73
1.7.2. Обзор технических средств и способов регулирования азимутального искривления скважин традиционными КНБК 76
1.7.3. Анализ существующих теоретических исследований, описывающих азимутальное искривление при движении КНБК 81
Выводы по 1-й главе з
Исследования напряженного состояния забойных двигателей в процессе бурения наклонно направленных скважин в составе безориентированного КНБК 89
2.1. Исследование материала конусно-шлицевой полумуфты шпиндельной секции турбобура 89
2.2. Постановка задачи по исследованию упруго-напряженного состояния турбобура и его элементов 92
2.3. Действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной скважине. Выбор оптимальной длины шпиндельной секции турбобуров 93
2.4. Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров при бурении обычными компоновками 98
2.5. Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров с включением в компоновку нижней части бурильной колонны центрирующего элемента 105
2.6. Аналитическое исследование динамики компоновки нюішей части бурильной колонны с применением гидромеханических виброгасителей 108
2.6.1. Модель устройств подавления вибрации гидромеханического принципа действия 109
2.6.2. Уравнение движения компоновки нижней части бурильной колонны с виброгасителем типа ГЦ и ДГ НО
2.6.3. Аппроксимация невязкого демпфера 114
2.6.4. Решение системы уравнений колебательной модели 117
2.6.5. Оценка эффективности гашения продольных колебаний бурильного инструмента виброгасителями типа ГЦ и ДГ 119
2.7. Аналитические исследования работы компоновок в процессе буре
ния сильно искривленного ствола скважин 125
2.7.1. Исследование нестационарных колебаний компоновок при буре
нии наклонных скважин. 126 2.7.2. Теоретические принципы синтеза антивибрационных КНБК 140
2.8. Аналитическое обоснование использования гироскопического эф
фекта для регулирования азимута ствола наїслонно направленных скважин 143
2.8.1. Описание механизма регулирования азимутом посредством гироскопического эффекта 143
2.8.2. Аналитическое исследование статического упруго-напряженного состояния КНБК, содержащей гироскопический регулятор азимута 149
2.8.3. Определение скорости прецессии устройства гироскопического типа с учетом колебаний КНБК при бурении наклонных скважин 153
2.8.4. Определение добавочной отклоняющей силы на долоте от действия гироскопического момента регулятора азимута 160
Выводы по 2-й главе „ 163
Разработка наддолотных гидромеханических устройств и совершенствование забойных двигателей для бурения наклонных скважин 166
3.1. Разработка конструкций технических средств подавления вибраций 167
3.1.1, Конструкция наддолотного демпфера типа ДГ 167
3. 1.2. Конструкция демпфера типа ДГМ 170
3.1.3. Конструкция гидравлического центратора типа ГЦ 171
3.2. Гидродинамика демпфирующих устройств при гашении продольных колебаний бурильного инструмента 174
3.3. Промысловая оптимизация конструкций разработанных устройств 184
3.4. Результаты опытного бурения с применением гидромеханических устройств 187
3.5. Разработка турбобура для наклонно направленного бурения скважин 191
3.6. Экономическое обоснование применения гидродинамических виброгасителей 197
Выводы по 3-й главе 199
Разработка стабилизирующих антивибрационных компоновок 200
4.1. Модернизация конструкции наддолотного глубинного демпфера 201
типа ДГ-195 4.2. Конструкция гидродинамического демпфера типа ДГ-195М 203
4.3. Лабораторные испытания упругих элементов демпферов 210
4.4. Конструкция усовершенствованного гидравлического многоступенчатого демпфера типа ДГМ-240М 213
4.5. Конструкция виброгасителя центратора бурильного инструмента типаВЦ-212 217
4.6. Конструкция виброгасителя-центратора бурильного инструмента типаВЦ-215,9 219
4.7. Конструкция регулируемого виброгасителя-центратора бурильного инструмента типа ВЦ 222
4.8. Конструкция неразъемного протектора бурильных труб 224
4.9. Конструкция устройства для изменения азимута ствола скважины 227
4Л0. Конструкция виброгасителя-калибратора 230
4.11. Проектирование антивибрационных компоновок „ 234
4Л2. Промысловые испытания конструкций разработанных технических средств в составе антивибрационных компоновок 240
4 Л 2 Л. Условия испытаний антивибрационных компоновок 240
4.12.2. Результаты опытного бурения наклонно направленных скважин с применением демпферов 241
4.12.3. Промысловая отработка антивибрационной стабиизирующей компоновки с виброгасителем-центратором 247
4.13. Экономическое обоснование применения антивибрационных стабилизирующих компоновок 251
Выводы по 4-й главе 252
Разработка технических средств и способов их применения для регулирования азимута нефтяных и газовых скважин 254
5.1. Разработка конструкций гироскопических регуляторов азимута 254
5.1.1. Конструкция гироскопического регулятора азимута типа С А 254
5.1.2. Разработка конструїсции устройства для направленного бурения типаГРА 257
5.2. Разработка конструкции героторного устройства для управления компоновкой нижней части бурильной колонны в скважине 263
5.3. Расчет и проектирование гидравлических вращателей для гироскопического регулятора азимута 271
5.3.L Расчет гидравлического вращателя, выполненного в виде сегне рова колеса 271
5.3.2. Расчет и проектирование высокоскоростной осевой турбины 273
5.3.3. Лабораторные измерения кинематического момента гироскопического регулятора азимута типа СА-1М 278
5.4. Промысловые испытания гироскопических регуляторов азимута типа СА 283
5.4.1. Условия испытаний гироскопических регуляторов азимута типа СА 2S3
5.4.2. Опытное бурение с гироскопическими регуляторами азимута типа СА 285
5.4.3. Принципы конструирования гироскопических регуляторов азимута 291
5.5. Усовершенствование конструкции гироскопического регулятора азимута типа ГРА 293
5.5.1. Технические требования 294
5.5.2. Повышение эксплуатационных характеристик гироскопических регуляторов азимута типа ГРА-195 298
5.5.3. Испытание мелкосерийной партии гидравлических ориентаторов ГРА. 300 Выводы.по 5-й главе 301
6. Специальные забойные компоновки 303
6.1. Колтюбинговые компоновки для бурения горизонтальных и многозабойных скважин 303
6.2. Компоновки для борьбы со случайными колебаниями 316
6.3. Расчет параметров специальных компоновок при вынужденных продольных колебаниях их рабочих элементов как связанных осцилляторов 319
Выводы по 6-й главе 330
7, Основные выводы и защищаемые положения 331
Литература
- Анализ исследований по отработке забойных двигателей при наличии в компоновке бурильной колонны виброгасящих устройств
- Действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной скважине. Выбор оптимальной длины шпиндельной секции турбобуров
- Гидродинамика демпфирующих устройств при гашении продольных колебаний бурильного инструмента
- Конструкция виброгасителя-калибратора
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. В последние годы нефтегазовые компании России обеспечивали наращивание объемов добычи в основном за счет интенсивной эксплуатации крупных и уже истощенных месторождений с высокой обводненностью и пониженным пластовым давлением. Вместе с тем среднее значение коэффициента извлечения нефти на сегодня не превышает 35...40%, причем основные запасы по-прежнему сосредоточены именно на таких месторождениях.
В силу этого наиболее важной, проблемной и актуальной областью в технологической цепочке производства углеводородного сырья становится бурение горизонтальных, многозабойных и многоствольных скважин, которое осуществляется как традиционными неориентируемыми и ориентируемыми компоновками низа бурильной колонны (КНБК), так и гибкими длинномерными трубами с использованием нового оборудования, технологий, а также достигнутого сегодня уровня знаний о динамических процессах, происходящих на забое скважины и в КНБК.
КНБК - это техническая система, включающая комплексы агрегатов, устройств и инструментов, предназначенная для управления процессом бурения. Комплексы, включенные в систему КНБК, работают как отдельные динамические модули, участвующие в сложных колебательных процессах, происходящих в скважине, оставаясь при этом детерминистически связанными с системой.
Синтез специальных компоновок повышенной надежности, с учетом стохастических динамических процессов, происходящих на забое, предопределяет не только качество формирования ствола в процессе бурения, но и дальнейшую безаварийную работу эксплуатационного оборудования в скважине.
Цель работы - создание стабилизирующих КНБК для осуществления бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин забойными двигателями традиционными и колтюбинговыми буровыми установками, а также ис-
следование, разработка и внедрение специальных технических средств и способов для обеспечения управления колебательными процессами. Основныезадачи:
1. Исследование динамики КНБК с забойными двигателями в наклонно
направленных и горизонтальных скважинах.
-
Качественная и количественная идентификация динамики КНБК как механической системы: построение математических моделей колебательных систем и комплексов специальных компоновок на основе анализа процессов в этих системах, выявления преобладающего источника возбуждения колебаний и распознавания типа системы, а также оценка параметров отдельных комплексов, включенных в КНБК.
-
Полу качественная идентификация: распознавание и оценка отдельных параметров КНБК, характеризующих степень и запас устойчивости новых компоновок на основании статистического и динамического анализа их нагружения и движения, а также разработка методов оценки уровня параметрического усиления или ослабления внешнего возмущения.
4. Разработка, совершенствование и внедрение комплекса технических
средств и способов для управления динамикой ориентируемых и неориенти-
руемых КНБК с забойными двигателями при бурении различными буровыми
установками.
Методы решения. В работе использован комплекс локальных и нелокальных методов, включающих аналитические, численные и стендовые исследования, промысловые наблюдения и статистические обобщения, а также синтез принципиально новых технических средств и технологий, масштабный производственный эксперимент и технико-экономические оценки разработок.
Научная новизна
1. Выполнено аналитическое решение научной проблемы, связанной с синтезом динамических компоновок при бурении забойными двигателями наклонно направленных скважин, путем создания феноменологических, математических моделей антивибрационных стабилизирующих КНБК, исследования их
колебаний как динамических систем с линейными и нелинейными коэффициентами.
-
На основании полученных решений установлены и определены механические критерии динамической устойчивости разработанных компоновок, их амплитудно-частотные характеристики и фазовые траектории новых технических средств, включаемых в КНБК.
-
Аналитически выявлены качественные закономерности формирования ухабообразного забоя скважины как результат квазигармонических колебаний с переменной амплитудой при бурении забойными двигателями различными динамическими КНБК с регламентированными коэффициентами передачи возмущающих сил:
установлены аналитические зависимости влияния механического импеданса различных динамических КНБК на вибрационные процессы, происходящие на забое скважины;
получены механические характеристики динамических компоновок, определяющие границы устойчивого состояния детерминистической системы при случайных колебаниях, и разработаны методы оценки уровня параметрического усиления характеристик системы при суммарном динамическом воздействии продольных и поперечных колебательных процессов, переходящих в параметрический резонанс КНБК в зависимости от параметров механических импедан-сов динамических систем.
-
На основе анализа колебательных процессов, происходящих на динамически возмущенном участке КНБК, впервые аналитически установлен и исследован механизм применения гироскопического эффекта для регулирования азимутального и зенитного углов скважины специальными устройствами с автономно вращающейся массой.
-
Методами имитационного моделирования колтюбинговых КНБК аналитически обосновывается вероятность существования различных устойчивых периодических режимов вынужденных случайных колебаний динамических
компоновок, состоящих из рабочих комплексов с регламентированными механическими импедансами, подбираемыми случайным образом. Основные защищаемые положения
-
Математические модели антивибрационных стабилизирующих КНБК как динамических систем, с линейными и нелинейными коэффициентами, участвующих в сложных колебательных процессах при бурении забойными двигателями наклонно направленных и горизонтальных скважин, и методы их решения.
-
Особенности формирования забоя скважины как результат квазигармонической амплитудно-частотной модуляции высокочастотных колебаний при бурении шарошечными долотами забойными двигателями.
-
Качественные закономерности влияния продольно-поперечных, изгиб-ных колебаний КНБК и механических импедансов гидромеханических виброгасителей на динамические процессы, происходящие в бурящейся скважине.
-
Научно-методические основы конструирования шпиндельных забойных двигателей повышенной надежности для работы в составе динамических компоновок наклонно направленных скважин.
-
Устройства и способы для управления азимутальными и зенитными углами скважины с использованием гироскопического эффекта.
6. Научно-методические основы проектирования новых динамических
комплексов колтюбинговых КНБК, разработка и оценка их механических пара
метров.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности 1. На основании Протокола совещания руководителей разработок наддо-лотных амортизаторов от 18-19 июня 1985г. и в соответствии с «Программой и методикой сравнительных испытаний новых конструкций забойных амортизаторов» (по заказ-наряду Миннефтепрома Е.85.0489.87) проведены межведомственные приемочные испытания опытной партии демпферов ДГ-195, изготовленных Кунгурским МПО «Турбобур» по технической документации с литерой «О», при бурении наклонно направленных скважин в Урало-Поволжском ре-
гионе турбобурами, электробурами и винтовыми двигателями. По результатам испытаний организовано серийное производство в МПО «Турбобур».
-
На основании технического задания Миннефтепрома и ВПО «Союзнеф-тепроммаш» ТЗ-3 9-2-749-81 созданы и внедрены в серийное производство Кун-гурского МПО «Турбобур» устройства подавления вибраций гидродинамического типа (гидромеханические демпферы ДГ-195 и ДГ-195М, многоступенчатые демпферы ДГМ-240, гидравлические центраторы ГЦ-215,9, виброгасители-центраторы ВЦ-212, демпферы-центраторы ДГЦ-212 и калибраторы-виброгасители КВ-215), повышающие эффективность бурения забойными двигателями наклонно направленных скважин.
-
Приняты к производству и освоены Кунгурским МПО «Турбобур» рекомендации по конструированию шпиндельных турбобуров с плавающим валом типа 111В. Десять комплектов турбобуров ТПВ-105 внедрены в ТПП «Ко-галымнефтегаз».
4. Разработаны и апробированы в Урало-Поволжском и Западно-
Сибирском регионах антивибрационные стабилизирующие компоновки типа
КНБК-СА для регулирования динамических процессов в нижней части буриль
ной колонны.
-
В результате внедрения динамических КНБК с устройствами гашения продольных, поперечных и крутильных колебаний при бурении более 60 наклонно направленных скважин получена стабилизация зенитных углов скважины при увеличении проходки на серийные долота до 50% (в ряде интервалов кратно), механической скорости бурения до 10...30% и повышения наработки на отказ забойных двигателей до 40%.
-
Разработаны и внедрены в АНК «Башнефть» гидромеханические ориен-таторы типа ОР-95 для колтюбингового бурения горизонтальных скважин, освоенные в мелкосерийном производстве НВФ ООО «НСЛ».
-
На основании технического задания Департамента бурения корпорации «Роснефтегаз» разработаны и прошли приемочные испытания гироскопические регуляторы азимута типа СА и ГРА на предприятиях Урало-Поволжского и За-
падно-Сибирского регионах при бурении более 20 наклонно направленных скважин. Применение ГРА-195, в составе КНБК-СА, позволяет неориентированно управлять зенитным и азимутальным углами скважины. Гироскопы ГРА-195 освоены в производстве Кунгурским МПО «Турбобур».
8. Разработан параметрический ряд гидродинамических виброгасителей продольных, поперечных и крутильных колебаний для компоновок типа КНБК-СА при бурении забойными двигателями габаритов: 95, 105, 172, 195 и 240 мм. Внедрение калибраторов-виброгасителей КВ-124, гидравлических центраторов-нагружателей ПД-124М, демпферов-центраторов ДГЦ-120 осуществлено в Управлении ремонта скважин ТПП «Когалымнефтегаз» при капитальном ремонте более 50 скважин, в том числе пяти горизонтальных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на республиканских научно-технических конференциях по проблемам нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии (г. Уфа, 1975, 1977, 1979, 1981, 1986,1988 гг.); второй Всесоюзной научно-технической конференции на Уралмашзаводе (г. Свердловск, 1977 г.); Всесоюзных конференциях по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1977, 1983 гг.); Всесоюзной конференции по наклонному бурению (г. Баку, 1978 г.); Второй зональной научно-технической конференции по комплексным программам Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1983 г.); Всесоюзном семинаре «Основные направления повышения эффективности работы породоразрушающего бурового инструмента в различных геолого-технологических условиях» (г. Москва, 1984 г.); республиканской научно-технической конференции «Диагностика, ресурс и прочность оборудования для добычи и переработки нефти» (г. Уфа,
-
г.); второй Всесоюзной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1989 г.); пятой Всесоюзной научно-технической конференции «Разрушение горных пород при бурении скважин» (г. Уфа,
-
г.); Международной конференции «Механика горных пород при бурении» (г. Грозный, 1991 г.); Всероссийских научно-технических конференциях «Про-
блемы нефтегазового комплекса России» (г. Уфа, 1995, 1998 гг.); второй научно-технической конференции «Современные проблемы надежности» (г. Москва, 1997 г.); XVI межотраслевой научно-практической конференции «Заканчи-вание и ремонт нефтегазовых скважин с полным сохранением их продуктивности» (г.г. Краснодар, Анапа, 2004 г.); координационных совещаниях по проблемам «Техника и технология наклонно направленных и горизонтально-разветвленных скважин» (г. Ивано-Франковск, 1983, 1986 гг.); координационном совещании руководителей разработок наддолотных амортизаторов (г. Москва, 1985 г.); ВДНХ СССР, павильон «Нефтяная промышленность», экспонат «Гидравлический демпфер ДГ-195» (г. Москва, 1984 г. - золотая, серебряная и бронзовая медали ВДНХ); Всесоюзной научно-технической конференции «Передовые концепции механического образования в технических и технологических университетах по реализации государственных образовательных стандартов» (г. Уфа, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения» (г. Уфа, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 120 печатных работ, в том числе 54 изобретения и патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и приложений, изложена на 480 страницах машинописного текста и содержит 162 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 306 наименований и 27 приложений.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры нефтегазопромы-слового оборудования УГНТУ за помощь в проведении исследований, оформлении и обсуждении результатов работы.
Решение некоторых задач, освещенных в диссертации, явились результатом совместных работ с Султановым Б.З., Асеевым Е.Г., Габдрахимовым М.С., Забировым Ф.Ш., Конюховым И.Н., Кравцовым А.П., Сулеймановым И.Н., Са-фиуллиным P.P., Чистовым Д.И., Шайдаковым В.В., Щамовым Н.А,, Ямалие-вым В.У., за что автор им весьма признателен.
Анализ исследований по отработке забойных двигателей при наличии в компоновке бурильной колонны виброгасящих устройств
Бурильная колонна в процессе строительства скважины участвует в различных колебательных процессах, основными видами которых являются продольные, поперечные и крутильные, природа возмущения которых носит нерегулярный, случайный характер. Поэтому в рамках классической детерминистической теории математическое описание этих колебаний, выполненное ранее, является не всегда точным и, как правило, носит частный характер с большими допущениями.
Наиболее полно изучить поведение компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК) при различных случайных возмущениях позволяет статистическая динамика [41, 69, 87], задачи которой направлены на обеспечение вибрационной надежности системы КНБК и призваны: качественно определить характеристики внешних и внутренних параметров её напряженно-деформированного состояния; - количественно определить безотказность системы и установить границы допусков полученных параметров; решить полукачественные задачи, связанные с обработкой и анализом результатов полученных границ разброса определенных параметров системы КНБК, которые позволяют найти законы распределения критических сил или подобрать законы распределения внутренних параметров базовых узлов к систем КНБК.
К настоящему времени хорошо известны три большие группы методов решения задач статистической динамики: квазистатические, корреляционные и метод кинетических уравнений. Каждый метод имеет свою определенную область применения.
В данной работе ограничимся рассмотрением частных задач, связанных с проблемами полукачественной идентификации: - распознавание. и построение математического описания колебательных систем, коими являются КНБК на основании анализа процессов в этих системах; - оценка запаса устойчивости системы на основе статистического анализа периодического движения компоновки бурильной колонны и возможность флуктационного перехода колебательной системы из одного стационарного состояния в другое; -рассмотрение и решение вопросов разделения источников колебаний и прикладная оценка того вклада, который вносит в этот процесс каждый из нескольких источников возбуждения колебаний, а таюке количественная оценка уровня параметрического усиления на основе стохастического анализа. В общем случае можно выделить пять различных типов (групп) задач распознавания колебательных систем КНБК: Первые три типа задач относятся к группе систем с чисто случайным возмущением, а две последние - к группе систем с периодическими возмущениями, в которых возможны и случайные колебания [69].
Исследование КНБК молено отнести к задачам, которые объединяют все выше названные группы. Такого рода задачи возникают всегда, когда располагаемая априорная информация о системе для её полной идентификации недостаточна, но для праісгическои точки зрения количественная оценка в виде "да или нет" является приемлемой, позволяющая определить тип системы, границы области устойчивости рассматриваемого режима работы, для выявления преобладающего источника возбуждения вибрации и т.д.
Оценки распознавания различных типов систем, найденные путём теоретического анализа простейших линеаризованных моделей, молено рассматри 20 вать как некоторые отправные "базовые" критерии, которыми можно затем проверять возможность их применения к более сложным моделям путём экспериментов на реальных физических моделях или на ЭВМ с привлечением стохастических программ.
С развитием буровой техники все более актуальной становится проблема создания активных виброзащитных устройств с элементами управления или оптимизации движения амортизируемых объектов.
Применительно к КНБК традиционные виброгасители разрабатывались с использованием пассивных элементов, механические импедансы которых не могли меняться в процессе работы. И только создание виброгасителей гидромеханического типа, с дополнительным использованием жидкостных пружин, гидравлический импеданс которых можно регулировать в процессе бурения, позволило решать вопросы оптимизации и управления динамикой КНБК.
Согласно принятой терминологии [41] под оптимизацией виброзащиты донимается разработка определенных требований, сформулированных в виде ограничений предъявляемых к колебательным системам, которые необходимо учитывать при синтезе демпферов и амортизаторов.
выше названные ограничения имеют числовые (действительные или комплексные) суммирующие функции, определенные на некотором множестве функций, которые называются функционалами, форма которых зависит от характера динамических воздействий.
При выборе из этих классов ограничений оптимального ставится задача отыскания экстремума функционала качества и их линейная комбинация с некоторыми весовыми коэффициентами. Исходя из условий работы КНБК, в первую очередь, учитывая габариты скважины, из пяти выше предложенных ограничений наиболее приемлемыми для синтеза наддолотных виброгасителей являются третье, пятое и второе ограничения, перечисленные в порядке практической реализуемости.
Действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной скважине. Выбор оптимальной длины шпиндельной секции турбобуров
Проектирование (синтез) КНБК по сравнению с проектированием управляемых систем с обратной связью, широко распространенных в настоящее время в наземных системах, имеет ряд существенных особенностей, требующих специального рассмотрения. Принципиальная разница в этих двух задачах заключается в том, что в задачах оптимального синтеза КНБК выбранные значения упруго-диссипативных переменных фиксированы в течение времени всего рейса КНБК, в то время как при управлении по обратной связи значения переменных могут перестраиваться в процессе работы системы. К особенностям задач оптимального проектирования КНБК следует также отнести невозможность описания динамической системы только задачей Коши, так как приходится рассматривать напряжения, обусловленные приложенными нагрузками. Эти напряжения определяются граничной задачей для смещения, которая не может трактоваться как динамический процесс Коши, хотя можно определить вспомогательные переменные, так что уравнения задачи сведутся к задаче Коши с дополнительными ограничениями в виде граничных задач. Кроме того, при оптимизации КНБК и её рабочих элементов необходимо иметь в виду, что численные методы построения оптимального проекта зачастую оказываются довольно чувствительными к начальным значениям и "искусству" вычислителя для сходимости итераций.
Известные в-технике оптимальные управления оказываются нереализуемыми применительно к динамическим КНБК, так как ограничения, оптимальные для одного конкретного внешнего воздействия, для других даже в случаях использования только пассивных упруго-диссипативных характеристик могут оказаться не оптимальными.
Синтез оптимальной виброзащитной системы должен заключаться в определении оптимальных характеристик пассивных и активных элементов, обеспечивающих минимизацию того или иного функционала, предположенных в начале главы в зависимости от принятых ограничений.
Другой важнейшей характеристикой виброзащитной системы является её эффективность, определяющая степень уменьшения интенсивности колебаний.
Величина, равная отношению амплитуды колебательных процессов, переданных через виброгаситель к амплитуде возмущающих внешних воздействий, (кинематических или динамических) называется коэффициентом передачи [251] или коэффициентом эффективности [41] на частоте возмущения. Чем меньше этот коэффициент, тем эффективнее разработанное виброзащитное устройство.
Необходимо иметь Б виду, что коэффициент передачи, например, силы зависит также от динамической податливости и жесткости виброгасителя: чем меньше диссипативные силы в защищаемой механической системе, тем меньше должна быть её жесткость. Поскольку практически невозможно уменьшить жесткость амортизаторов КНБК беспредельно, то речь будет идти о достаточности величины коэффициента передачи при оценке эффективности виброзащиты.
Наиболее важной в практическом отношении является задача синтеза над-долотных виброзащитных систем КНБК, обеспечивающих заданное снижение уровня динамических воздействий при минимальных габаритах. В этом случае на систему накладываются ограничения по усилиям и при этом минимизируется один из функционалов, характеризующих величину относительного смещения.
Существует несколько подходов к решению этой задачи, связанных с синтезом виброгаеителей, формирующих некоторое силовое воздействие (например, дополнительную гидравлическую силу, принимающую долото к забою); другой подход к проблеме оптимального синтеза наддолотнои виброзащитной системе - отыскания оптимальной передаточной функции упруго-диссипа-тивной феноменологической модели с заданной структурой параметров жесткости К и коэффициента демпфирования С (например, выполненный в виде жидкостной пружины).
Рассмотрим задачу на оптимальное проектирование КНБК и приведем классификацию параметров до того, как сформулируем постановку задачи.
При проектировании КНБК с последующим анализом определяются три множества параметров системы КНБК. К ним относятся переменные проектирования системы, параметры взаимодействия с внешней средой и параметры состояния системы, Схема динамически возмущенной части КНБК с демпфером (пока обобщенно) представлена на рис. 1.3.
Феноменологическая модель КНБК, как мы в дальнейшем будем принимать, представляется двумя или многомассовой моделью: масса каждого элемента системы, геометрия модели, коэффициенты жесткости и демпфирования являются переменными проектирования КНБК (mg - наддолотная масса, тт — масса забойного двигателя или масса динамически возмущенного участка КНБК, К,- и с,- - жесткость и вязкость виброгасителя, рассматриваемой возму 29 щенной КНБК). Частоты и смещения возмущающихся сил рассматриваются как внешние параметры {cot и F).
Положение и скорости отдельных масс являются переменными состояниями системы. Эти группы параметров будут называться переменными проектирования ЬєЯк, внешними параметрами aeRF и переменными состояниями zei?".
При последующих аналитических рассмотрениях задача максимизации в ограничениях параметрического оптимального проектирования рассматривается в качестве внутренней задачи, определяемой требованием: выбрать max if/а (z, bt а) 0,аєА при наличии ограничений в виде равенств /г,- (z,b,q) =0, i = 1,2,...,п, где Ъ - начальное приближение переменной проектирования (задается автором).
Предполагается, что число точек локального максимума функции і//а для любого b конечно, при этом число ограничений для каждого предлагается расширить так, чтобы охватить каждую точку локального максимума.
Основная идея при разработке алгоритма решения состоит в том, чтобы определить, какие ограничения накладывают подзадачи на допустимые вариации переменной проектирования с использованием метода проекции градиента в пространстве состояний (метод обобщенного приведенного градиента) или метод расширенной функции Лагранжа, то есть анализ чувствительности рассматриваемой модели системы.
Рассмотрим линейную виброзащитную систему пассивного типа с одной степенью свободы (см. рис. 1.3, когда mg « тт). Пусть объект массой Шт установлен на жестком забое с ішиематическим возбуждением Х(і). Если связанные с этими движениями ускорения недопустимы с точки зрения долговечности объекта,, то попытаемся снизить эти ускорения, закрепив wij на линейном вязко упругом элементе с коэффициентом жесткости К и коэффициентом вязкости С. Задача состоит в том, чтобы выбрать параметры К и С таким образом, чтобы снизить ускорения на массе ту до требуемого уровня.
Гидродинамика демпфирующих устройств при гашении продольных колебаний бурильного инструмента
Данная система состоит из двух масс: m j - приведенная масса подвижной части виброгасителя (шток жестко связан с долотом) и та - динамически возмущенная масса сжатой части бурильной колонны. Упругие свойства динамически возмущенной части бурильной колонны характеризуются идеализированной пружиной с коэффициентом приведенной жесткости К. Упругие свойства амортизатора характеризуются идеализированной пружиной с коэффициентом жесткости К{. Демпфирующие свойства дросселя струйного насоса определяются коэффициентом невязкого демпфирования С/, а демпфирующие свойства гидравлической рабочей камеры определяется коэффициентом невязкого демпфирования С. На массу долота действует гармоническая возмущающая сила, с постоянной амплитудой и частотой, являющаяся динамической составляющей низкочастотных продольных колебаний бурильного инструмента: колебаний [14]; щ — угловая частота продольных колебаний корпуса долота; А - амплитуда продольных колебаний; Е - модуль упругости материала штока; F0 - площадь поперечного сечения вала шпиндельной секции турбобура;
Следует заметить, что, как видно из принципа работы гидромеханического виброгасителя (см. главу 3), демпфирующая сила пропорциональна квадрату скорости, поэтому коэффициент пропорциональности натуральных демпферов заменяем на эквивалентный коэффициент вязкого демпфирования, (подробно об аппроксимации ем. раздел 2.6.3 настоящей главы). Уравнение движения системы можно получить на основании закона движения Ньютона, для чего освободимся от связей и. заменим их динамическими силами.. Проведенные операции представлены на силовых схемах рис. 2.19аи2.19б. На рис 2.19 а представлена силовая схема, показывающая характер нагружения масс. На рис 2.19 б представлена силовая схема тела Максвелла; так как демпфер СіЗІСв и пружина последовательно, то по третьему закону Ньютона демпфирующая сила равна силе упругости пружины [251].
Движение, описываемое системой уравнений (2.20), гармоническое и совершается с частотой, равной частоте возмущающей силы. Так как гармоническое возбуждение, заданное в виде косинусоидальной функции с постоянной амплитудой и частотой, то и амплитуда реакции системы постоянна, то есть движение установившееся.
Как будет показано ниже в главе 3, демпфирующая сила нелинейная и пропорциональна квадрату скорости. Демпфирование в рассматриваемой системе представляет собой сложное явление, и для упрощенного математического описания его применим метод аппроксимации. Метод аппроксимации, или прямой линеаризации, предложил Я.Г. Пановко в 1952 году [41 т.2]. В основе метода лежит замена нелинейного выражения линейной характеристикой со специально подобранными коэффициентами из условия минимума интеграла
Рассматриваемый интеграл выражает меру взвешенного квадратичного уклонения реальной характеристики от линейной в интервале (-v + у), где v - полуразмах колебаний, в данном случае скорости. В простейшем случае принимают y(v)=l. Это возможно, когда уклонения считаются в одинаковой мере важными независимо от значения координаты v. В задачах о колебаниях более существенны уклонения при больших значениях v, поэтому обычно принимают
Далее увидим, что принцип работы виброгасителя основан на создании мощной жидкостной пружины, развивающей гидравлическую силу, связанную с колебательными процессами, происходящими на забое скважины.
Конструкция виброгасителя-калибратора
Принцип работы демпфера типа ДГ основан на создании мощной жидкостной пружины [16] за счет срабатывания расчетного перепада давления в насадке струйного насоса и отверстий рабочей камеры, работающих в параллельном режиме с насосом.
Демпфер устанавливается в нижней части бурильной колонны непосредственно над долотом на вал шпиндельной секции и работает следующим образом.
В процессе бурения осевая нагрузка на долото изменяется в такт колебательным процессам, происходящим на забое скважины, возникающим из-за перекатывания шарошек долота как гладких конусов по ухабообразному забою, перекатывания шарошек долота с зубца на зубец по забою, колебания давления промывочной жидкости в результате работы поршневого бурового насоса и других процессов. Данные колебания осевой нагрузки передаются других процессов. Данные колебания осевой нагрузки передаются штоку демпфера, перемещая его по определенному закону относительно забоя скважины.
При движении штока демпфера вверх, что соответствует набеганию долота на ухаб забоя скважин или отскоку долота от забоя, происходит суммирование максимальной относительной скорости истечения лсидкости из насадки струйного насоса со скоростью движения штока, это приводит к увеличению перепада давления в демпфере. Одновременно, при движении штока демпфера вверх, происходит дросселирование жидкости через регламентированное отверстие рабочей камеры Г за счет уменьшения её объёма. Данный процесс приводит к увеличению жесткости жидкостной пружины, которая создает гидравлическую нагрузку на долото, препятствуя отскоку долота от забоя скважины, увеличивая тем самым время контакта зубков долота с забоем. При обратном движении штока демпфера, что соответствует сбеганию долота с ухаба забоя скважины, происходит "распрямление" жидкостной пружины и заправка промывочной жидкостью рабочей камеры Г, сопровождающаяся также дросселированием лсидкости. Затем работа повторяется. При этом максимум гидравлической натрузки, носящей следящий характер, развиваемой жидкостной пружиной, соответствует максимуму относительной скорости дросселя. Кроме того, перепад давления, срабатываемый в насадке струйного насоса реализуется также, на расширение диапазона работы турбобура в режиме, близком к режиму разгрузки осевой опоры [242] и на охлаждение долота за счет подачи дополнительного количества жидкости- струйным насосом. Колебание давления промывочной жидкости при работе дросселей демпфера рассеивается, в конечном итоге, в виде тепла. Работа упругих элементов, расположенных в рабочей камере, происходит последовательно с дросселем насоса и параллельно с дросселем рабочей камеры. При этом, при сжатии, упругие элементы накапливают энергию, а при распрямлении отдают её, работая в режиме амортизатора.
Демпфер типа ДГМ представляет собой многоступенчатую модификацию демпфера типа ДГ и состоит из корпуса, который для удобства монтажа выполнен сборным, состоящим из нижней I и верхних 2, 3 секций. Количество секций при необходимости может быть увеличено или уменьшено. В нижней секции 1 выполнен плавающий поршень 4, жестко связанный с полым штоком 5. Внутри корпуса размещается струйный насос, состоящий из конфузора б, насадки 7 и диффузора 5. Камера смещения А струйного насоса через каналы штока В и отверстия верхней секции В гидравлически связана с затрубным про 171 странством. Для передачи крутящего момента в нижней секции / демпфера выполнены сквозные пазы, которые взаимодействуют с ответными пазами штока 5 посредством шпоночного соединения 9. Для предотвращения выпадения шпонок 9 из сквозных пазов на корпусе нижней секции выполнено кольцо 10. При необходимости на корпусе 2 допускается устанавливать плавающий центратор U, наружная поверхность которого армирована твердым сплавом, а внутренняя загуммирована упругим элементом.
В верхних секциях 2 и 3 выполнены плавающие поршни 12 и 13, разделяющие своим уплотнителем 14 области высокого (Г) и пониженного (Д) давления. Рабочий ход поршней 12, 13 и штока 5 выполнен таким образом, чтобы они имели возможность жесткого контакта между собой.
Принцип действия демпфера ДГМ полностью соответствует работе демпфера ДГ, описанной в предыдущем параграфе, с тем лишь добавлением, что перепад давления, срабатываемый в насадке 7 демпфера ДГМ, действует также и на поршни 12 и 13, увеличивая тем самым следящую гидравлическую нагрузку, развиваемую поршнем 4. Плавающий центратор 11, необходимого диаметра и длины, выполнен в соответствии с работой [22], предназначен для стабилизации зенитного угла скважины и улучшения работы турбобура.
Гидравлический центратор типа ГЦ состоит из корпуса 1 и верхнего проводника 2, Внутри корпуса размещается сменный рабочий цилиндр 3 с сообщающим отверстием А. Цилиндр снабжен плавающим поршнем 5, жестко связанным с полым штоком б. Внутри штока выполнен дроссель в виде насадки 7. Шток снабжен рабочей втулкой 8 с регламентированными отверстиями Б. Втулка 5, цилиндр 3, переводник 2 и поршень 5 образуют рабочую камеру В, которая гидравлически связана через отверстие Б с внутренним пространством. Корпус / снаружи снабжен центрирующими ребрами, в которых размещены направляющие камеры Д с подвижными "плунжерами 9.
Подплунжерное пространство камер Д гидравлически связано с рабочей камерой В посредством сообщающего отверстия А цилиндра 3. Для передачи крутящего момента центратор снабжен шпоночным соединением 10.
Поршневая группа гидравлического центратора создает мощную жидкостную пружину, предназначенную для эффективного гашения продольных и поперечных колебаний бурильного инструмента. Рабочая камера В снабжается дополнительным упругим элементом 11, выполненным из материала на полимерной основе.
Для повышения долговечности центрирующие ребра и подвижные плунжеры армируются твердосплавными зубками или наплавкой типа "Релит" или "Сармайт". Гидравлический центратор типа ГЦ устанавливается в нижней части бурильной колонны непосредственно над долотом на вал забойного двигателя и работает следующим образом.
Перепад давления, срабатываемый в дросселе гидравлического центратора, выдвигает шток центратора, прижимая долото к забою скважины, и подвилатые плунжеры, прижимая их к стенкам скважины. При движении штока центратора в такт колебательным процессам, происходящими на забое скважины, происходит суммирование скорости относительного движения штока со скоростью истечения жидкости из насадки, при этом изменяется перепад давления в устройстве, а соответственно и следящая гидравлическая нагрузка, развиваемая плавающим поршнем. Колебание штока гидравлического центратора приводит к дополнительному дросселированию жидкости через регламентированное отверстие рабочей камеры, следовательно, к увеличению следящей гидравлической силы. При этом максимум следящей гидравлической силы приходится на максимум суммарной относительной скорости движения дросселя с учетом того, что дроссилирование жидкости происходит в обе стороны одинаково, то есть как при движении штока вверх, так и при движении вниз. При контакте подвижных плунжеров стенки скважины нетрудно заметить соответствие в работе ГЦ с работой ДГ при продольных колебаниях нижней части бурильной колонны.
