Содержание к диссертации
Введение
1 Колебательные процессы при бурении скважин и их влияние на показатели бурения турбобурами и винтовыми забойными двигателями ..8
1.1 Источники колебательных процессов в процессе бурения скважин и их частотный состав .16 1.1.1 Неравномерная подача промывочной жидкости буровыми насосами 21
1.2 Влияние колебаний давления промывочной жидкости на работу турбобура 26
1.3 Влияние колебаний промывочной жидкости на работу винтового забойного двигателя 30
1.4 Компенсаторы 32
1.4.1 Зависимость объема компенсатора поршневого бурового насоса от глубины бурения 37
1.5 Анализ колебаний давления промывочной жидкости при бурении нефтяной скважины №7063 в Азнакаевском ПБР ООО «Бурение» 38
Выводы по первой главе 43
2 Разработка конструкции гидромеханического компенсатора для циркуляционной системы буровой установки 45
2.1 Гидравлический расчет циркуляционной системы буровой установки с установленным в компоновку бурильного инструмента гидромеханическим компенсатором 45
2.2 Конструктивный обзор существующих компенсаторов, их особенности и недостатки 47
2.3 Разработка гидрокомпенсатора с боковым (наружным) расположением рабочих органов 51
2.4 Гидромеханический компенсатор с внутренним расположением рабочих органов (конструкция и принцип работы) .53
2.4.1 Гидродинамический расчет параметров потока жидкости при его воздействии на гидрокомпенсатор .54
2.4.2 Явление возможного гидроудара и оценка компенсации давления.62
2.4.3 Определение числа ступеней гидромеханического компенсатора давления 65
2.5 Гидродинамика пружинного гидромеханического компенсатора при нестационарном потоке несжимаемой жидкости 67
2.5.1 Вывод уравнения для давления исходящего потока жидкости .68
2.5.2 Дифференциальное уравнение движения поршня гидромеханического компенсатора 71
2.5.3 Определение давления нисходящего потока .77
2.6 Окончательная схема гидромеханического компенсатора .80
Выводы по второй главе 82
3 Стендовые исследования работы гидромеханического компенсатора .84
3.1 Конструкции лабораторных гидравлических стендов .84
3.2 Разработка лабораторного стенда 88
3.3 Оснащение стенда необходимой измерительной аппаратурой .89
3.4 Подготовка к лабораторным испытаниям 92
3.5 Порядок проведения эксперимента 93
3.6 Результаты лабораторного исследования 93
Выводы по третьей главе 98
4 Промысловые испытания гидромеханического компенсатора давления промывочной жидкости ..99
4.1 Назначение и цели промысловых испытаний .99
4.2 Требования к опытной конструкции гидромеханического компенсатора 99
4.3 Техническая характеристика гидромеханического компенсатора давления 100
4.4 Сборка и подготовка компенсатора к промысловым испытаниям 101
4.5 Проверка работоспособности компенсатора перед бурением скважины 105
4.6 Бурение скважины 105
4.6.1 Результаты бурения на скважине № 224 105
Выводы по четвертой главе 114
Основные выводы работы 115
Список использованных источников 116
Приложение А.
- Влияние колебаний промывочной жидкости на работу винтового забойного двигателя
- Разработка гидрокомпенсатора с боковым (наружным) расположением рабочих органов
- Разработка лабораторного стенда
- Техническая характеристика гидромеханического компенсатора давления
Влияние колебаний промывочной жидкости на работу винтового забойного двигателя
Из рисунка видно, что вначале механическая скорость бурения компоновкой без установленного в него демпфера выше, нежели с демпфером. Но после непродолжительного промежутка времени их механическая скорость сравнивается, а затем механическая скорость бурения компоновкой с демпфером становится выше, чем при аналогичном бурении без демпфера. Следует отметить, что увеличение механической скорости за долбление в целом при бурении с применением демпфера является результатом меньшего темпа снижения механической скорости по мере отработки долота. Аналогичные результаты были получены и при испытании демпферов крутильных колебаний [139].
Бурение с использованием турбобура, оснащенного шпинделем с демпфирующим элементом, также привело к положительному эффекту: механическая скорость увеличилась на 50%, проходка на долото на 19% [36].
Значительное повышение проходки на долото было достигнуто и при применении одноступенчатого демпфера с встроенным струйным аппаратом. Работы [34, 36, 88, 137] свидетельствуют о том, что применение в условиях Башкортостана и Татарстана усовершенствованного варианта этого демпфера привело к повышению проходки на долото при электробурении на 36%, при бурении турбобуром – на 67% и механической скорости на 22%.
При изучении колебательных процессов бурильного инструмента нужно отметить, что процессы, происходящие в системе «долото-забой» определяют эффективность разрушения породы и бурения в целом. Долото является источником интенсивных колебательных процессов широкого частотного диапазона. В результате взаимодействия долота с забоем происходит как появление сейсмических волн в массиве горных пород, так и вынужденных механических колебаний бурильной колонны [152 ].
Автор работы [152] отмечает, что колонна бурильных труб и шпиндельный турбобур обладают волновыми свойствами. То есть бурильный инструмент становится не только средством создания осевой статической нагрузки на долото, но и приобретает дополнительные активные функции, в первую очередь за счет динамической составляющей силы долота. Причем если осевая статическая нагрузка на долото направлена вертикально вниз, то динамическая составляющая не имеет строго определенного направления и знакопеременна. Поэтому совокупность множества режимных параметров бурения в сочетании с волновыми характеристиками различных компоновок предполагает значительное изменение силы воздействия долота на забой и амплитуды ее колебаний, меняющейся в широком диапазоне.
В качестве величины, позволяющей произвести оценку относительного вклада динамической и статической компонентов в общую силу воздействия долота на забой, может быть использован коэффициент динамичности [152]. Результаты экспериментальных исследований выявили такую зависимость – чем тверже порода, тем большее значение будет иметь и коэффициент динамичности [152]. В работе [73] говорится, что статическая сила может быть меньше динамической более чем в 2 раза, а данные работы [86] говорят о том, что отношение динамической силы к статической может достигать значения, равного 4.
С ростом коэффициента динамичности соответственно растут и продольные колебания долота, связанной с ним бурильной колонны. Результатом этого могут стать кратковременные отрывы долота от забоя, причем работы [20, 28] свидетельствуют о том, что долото может в совокупности находиться в состоянии «зависания» над забоем до 60% от всего времени бурения. По существу снижение времени контакта долота с забоем приводит к уменьшению времени разрушения горной породы и, как следствие, к снижению механической скорости бурения. В свою очередь вибрация и ударные нагрузки ведут к усталостным разрушениям, преждевременному износу долота, бурильного инструмента. Непостоянство силы воздействия долота на забой также негативно сказывается и на работе забойных двигателей, приводя к колебаниям частоты их вращения. Этот факт может привести к возможной остановке забойного двигателя, особенно при прохождении упруго-пластичных пород [152].
Влияние забойных амортизаторов продольных колебаний на изменение механической скорости по мере отработки долота, на показатели бурения, характер изнашивания опор и вооружение долот описывается в работах [89, 90, 91, 92, 93 ]. Автор работы [64] отмечает, что продольные колебания бурильной колонны повышают эффективность процесса бурения, однако обратной стороной является более быстрый износ долот, забойных двигателей и всей бурильной колонны.
Результаты исследований, описанные в [62, 107] показывают, что колебательные процессы бурильного инструмента ухудшают показатели бурения, стойкость долота, уменьшают срок службы забойных двигателей, элементов бурильной колонны, снижают проходку на долото.
Разработка гидрокомпенсатора с боковым (наружным) расположением рабочих органов
Одним из самых простых компенсаторов является воздушный колпак (рисунок 1.6, а) без средоразделителя. Но они имеют большие габаритные размеры и применять их при высоких давлениях нецелесообразно.
Компенсаторами с более компактными габаритами являются цилиндрические с перфорированной трубой (рисунок 1.6, б), шаровые (рисунок 1.6, в), проточные (рисунок 1.6, г) [54]. Компенсатор клапанного типа с предварительной накачкой газа (рисунок 1.6, д) имеет более простую конструкцию, чем диафрагмовый [54].
Работа большинства газовых и воздушных компенсаторов основывается на сжатии газа при повышении давления жидкости и его расширении при снижении давления, то есть газ выполняет функцию подушки, амортизирующей изменение давления в гидросистеме. В результате этого неравномерность давления снижается. а - со свободным воздухом; б — диафрагмовый тупиковый; в — диафрагмовый шаровой; г — диафрагмовый проточный; д — клапанный тупиковый. 1- корпус; 2 — диафрагма; 3 — перфорированная труба; 4 — манометр; 5 — клапан; 6 – пружина
Схемы компенсаторов буровых насосов [54] В настоящее время наибольшее распространение получили пневмокомпенсаторы, разделителем между промывочной жидкостью и газом в которых служит диафрагма. В верхней его части находится под давление газ либо воздух, нижняя его часть непосредственно контактирует с промывочной жидкостью или буровым раствором. Ниже дается детальное описание его конструкции.
Пневмокомпенсатор (рисунок 1.7) предназначен для уменьшения колебания давления, вызываемого неравномерностью подачи перекачиваемой жидкости. Пневмокомпенсатор состоит из корпуса пневмокомпенсатора 3, в который установлена резиновая диафрагма 5 с завулканизированным металлическим сердечником 4 и закрепленным на нем стабилизатором 6. Стабилизатор 6 крепится к диафрагме 5 через пружинную шайбу 7 болтом 8. В верхней части диафрагма 5 зажимается крышкой 9 и тем самым герметизируется внутренняя ее полость, которая заполняется предварительно сжатым нейтральным газом до давления, определяемого по рабочему давлению жидкости в нагнетательной линии, крышка 9 крепится к корпусу 3 при помощи шпилек. На крышке 9 располагается переходник 13 с манометром 12 и вентиль 10, которые крепятся к крышке 9 через фланцы 14 и уплотняются медной прокладкой 15, затянутой болтами через фланцы 14. Между фланцем 14 и крышкой 9 выдерживать зазор 3 мм, который позволяет производить установку вентиля 10 и манометра 12. Согласно «Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности» вентиль закрыт защитным колпаком 11. Заполнение пневмокомпенсатора газом производится через вентиль 10, установленный на крышке 9.
Манометр 12, установленный на крышке 9, предназначен для проверки величины начального давления газа в пневмокомпенсаторе, должен иметь предел измерения не ниже 40 МПа (400 кгс/см2).
Между корпусом пневмокомпенсатора 3 и тройником 18 установлены уплотнительные резиновые кольца 1. Сменное седло 2 является опорой для сердечника диафрагмы 5 в момент остановки насоса. Стабилизатор 6 предназначен для центрирования центра диафрагмы в момент опускания ее на седло при остановке насоса.
При работе насоса перекачиваемая жидкость, проходя через тройник 18, под давлением большим, чем начальное давление газа в пневмокомпенсаторе, отжимает резиновую диафрагму от седла 2 и попадает в нижнюю часть корпуса 3, сжимая газ до величины рабочего давления.
В течение периода нагнетания, когда мгновенная подача насоса становится меньше средней подачи, перекачиваемая жидкость в нижней части корпуса 3 под диафрагмой, подается в нагнетательный трубопровод за счет расширения газа, а при увеличении подачи больше средней происходит, наоборот, поглощение жидкости из нагнетательного трубопровода за счет сжатия газа внутри диафрагмы. Таким образом, происходит выравнивание неравномерности подачи бурового насоса.
Для правильной эксплуатации пневмокомпенсатора на табличке, прикрепленной к корпусу, приведен график создания начального давления воздуха в газовой полости в зависимости от давления на выходе из насоса.
Диафрагмовые пневмокомпенсаторы имеют существенный недостаток -быстрый выход из строя резиновых диафрагм, вызванный усталостью материала от многократных деформаций и от чрезмерного повышения давления в циркуляционной системе буровой установки [30]. Как показывает практика, применение описанных выше компенсаторов в составе циркуляционной системы буровых установок свидетельствует об их низкой эффективности.
Разработка лабораторного стенда
На рисунке 2.9 изображена конструктивная схема многоступенчатого гидромеханического компенсатора промывочной жидкости (патент на изобретение № 2516734), состоящего из корпуса 1, внутри которого установлены перегородки 2, 3, 4, образующие с поршнями 5, 6, 7 замкнутые камеры, Конструктивная схема гидромеханического компенсатора которые в свою очередь соединяются каналами 8, 9, 10 с затрубным пространством. Для ограничения хода поршней установлены втулки 11, 12, 13.
Между поршнями и перегородками установлены пружины 14. Детали в корпусе устанавливаются с переводником 15. Корпус снабжен присоединительными резьбами 16 и 17. Для предотвращения перетоков между поршнями и перегородками предусмотрены уплотнения 18, между корпусом и перегородками уплотнения 19 [122].
Устройство работает следующим образом. Колебания давления промывочной жидкости действуют на поршни, которые сжимает пружины и вытесняют жидкость дросселированием через каналы из подпоршневой полости. Вытеснению жидкости из этой камеры также препятствует столб затрубной жидкости, при уменьшении амплитуды колебаний давления промывочной жидкости поршень возвращается в исходное положение. Таким образом, за счет наличия демпфирующих элементов (пружин) и дросселирования жидкости из замкнутых камер происходит гашение колебаний жидкости. Выводы по второй главе
1. Выполнен гидравлический расчет циркуляционной системы буровой установки с установленным в компоновку бурильного инструмента забойным гидромеханическим компенсатором колебаний давления промывочной жидкости.
2. На основе выбранной модели потока жидкости, взаимодействующей с поршнем гидромеханического компенсатора, выполнено аналитическое решение. гидродинамической задачи по определению изменения давления и скорости движения жидкости в зависимости от перемещения поршня. Полученные аналитические выражения гидродинамических параметров представлены графически.
3. Анализ полученных решений указывает на возможность проявления собственного гидроудара при воздействии потока жидкости на первоначально неподвижный поршень с противодействующей пружиной. Установлена возможность «мягкой» (безударной) остановки поршня и определен ее критерий – максимальная деформация сжатия пружины, определяемая жесткостью пружины, скоростью и плотностью основного (исходного) потока жидкости.
4. Установлено, что при «мягкой» посадке поршня происходит почти полная компенсация возможного значения гидроудара, проявляющегося при неподвижном поршне; определена величина частичной компенсации гидроудара при ограниченном движении поршня.
5. Определено условие возможного исполнения двух или трехступенчатого гидрокомпенсатора в зависимости от гидродинамических параметров основного потока жидкости и жесткостной характеристики упругой пружины.
6. Приведено решение гидродинамической задачи работы гидромеханического компенсатора для нестационарного потока несжимаемой жидкости; получено выражение для давления исходящего из гидрокомпенсатора потока жидкости в зависимости от скорости движения его поршня. 7. На основе уравнения Лагранжа второго рода получено нелинейное дифференциальное уравнения движения поршня; применен способ его линеаризации и получено приближенное выражение скорости движения поршня.
8. Получена формула для определения давления нисходящего потока жидкости, из которой следует, что колебания давления соответствуют закону колебаний основного (входящего в компенсатор) потока, но с уменьшением амплитуды колебания и среднего значения давления, значения которых оцениваются частотой колебания основного потока и частотой собственных колебаний гидромеханического компенсатора.
Для проведения лабораторных испытаний компенсаторов и бурильного инструмента необходимы лабораторные стенды. Конструкции лабораторных стендов должны быть максимально приближены к реальным условиям использования компенсаторов. Компенсаторы работают под влиянием потока воды или глинистого раствора, поэтому для испытания необходима система циркуляции жидкости. Ниже рассматриваются различные системы, применяемые для лабораторных испытаний.
В зависимости от вида подвода и отвода рабочей жидкости гидравлические лабораторные стенды можно разделить на стенды с проточной незамкнутой циркуляцией и герметизированные [149].
В экспериментальные установки с незамкнутой гидравлической системой жидкость поступает из источника водоснабжения, а ее слив идет в канализацию (рисунок 3.1). Системы данного типа являются простыми и дешевыми в изготовлении. Но им присущ такой недостаток, как большой расход жидкости, прокачиваемой через гидросистему и сливаемой в канализацию.
В отличие от незамкнутых проточных систем в замкнутых потребление жидкости из источника водоснабжения сведено к минимуму. При такой схеме жидкость из бака насосом перекачивается на опытный участок, из которого вода сливается в тот же бак, т.е. жидкость циркулирует по замкнутому контуру (рисунок 3.2).
Ниже приводятся экспериментальные лабораторные установки, используемые в настоящее время для исследования работы компенсаторов и вибраторов. На рисунке 3.3 представлена схема экспериментальной установки ВНИИКР нефти [149], состоящая из горизонтального трубопровода, собранного из петлей с 1- водопровод; 2 – задвижки; 3 – бак; 4 – насос; 5- экспериментальный трубопровод; 6 - канализация Один из видов экспериментальных установок для исследования работы вибраторов, состоящий из насоса, сливного и напорного баков, задвижки, представлен на рисунке 3.4 [149].
На рисунке 3.5 представлена схема лабораторного стенда для исследования бурильного инструмента. Стенд состоит из замкнутой системы циркуляции жидкости и измерительной части.
Система циркуляции жидкости состоит из бурового насоса 9 МГр, всасывающая линия которого соединена с баком, мерной емкости, задвижек, тробопроводов. Измерительная часть состоит из манометра, датчиков давления, усилителя, коммутатора, аналого-цифрового преобразователя (АЦТ).
Техническая характеристика гидромеханического компенсатора давления
1. Заполнить емкость водой. 2. Смонтировать гидромеханический компенсатор в гидравлический стенд. 3. Вкрутить преобразователь ПДИ-01-02 в стандартное гнездо для отбора давления через штуцер, имеющий стандартную резьбу М20х1,5. Во избежание повреждения чувствительной мембраны датчика давления, необходимо убедиться в отсутствии жидкости в канале подвода давления между краном и точкой установки преобразователя (при ее наличии - удалить). 4. Подсоединить преобразователь давления к компьютеру через шлюз передачи данных GW-485.01 (конвертер RS-232/RS-485)
В результате проведенных испытаний были получены графики изменений давления.
На рисунке 3.8 показаны результаты замеров изменения давления в гидросистеме лабораторной установки при ее работе без ступеней гашения компенсатора при среднем давлении 3 МПа. Из рисунка видно, что размах амплитуды колебаний давления достигает 1,5 МПа и является значительной величиной. На рисунке изображен 3.9 представлен график изменения давления в гидросистеме с установленными в компенсатор ступенями гашения. Из графика видно, что при среднем давлении 3 МПа размах амплитуды колебаний давления достигает 0,8 МПа. Рисунок 3.8 – График колебаний давления жидкости без компенсатора
График изменения давления при среднем давлении 5МПа с компенсатором Аналогичные результаты были получены при установлении давления в гидросистеме лабораторной установки 5 МПа (рисунки 3.10, 3.11).
Анализируя полученные результаты, становится очевидным, что амплитуда колебаний давления жидкости снизилась почти в 2 раза. Выводы по третьей главе 1. Для исследования работы гидромеханического компенсатора колебаний давления жидкости был разработан и изготовлен лабораторный стенд. 2. Проведенные стендовые исследования гидромеханического компенсатора подтверждают его работоспособность. 3. При проведении лабораторных исследований производились замеры колебаний давления жидкости в гидросистеме лабораторной установки, генерируемых буровым насосом 9 МГр. При установлении среднего давления 3 МПа и 5 МПа в гидросистеме возникают колебания давления жидкости с размахом амплитуд, достигающих 1,5 МПа и 2,5 МПа соответственно. При включении в лабораторный стенд гидромеханического компенсатора при аналогичных средних давления в гидросистеме размах амплитуд колебаний давления снизился приблизительно до 0,8 МПа и 1,5 МПа соответственно. Таким образом, снижение амплитуд колебаний произошло практически в 2 раза, что говорит о высокой эффективности работы компенсатора.
Промысловые испытания проводятся для проверки работоспособности забойного гидромеханического компенсатора, определения степени гашения колебаний давления циркуляционной системы буровой установки при бурении вертикальных, наклонных, горизонтальных, глубоких скважин.
Компенсатор собирают горизонтально или вертикально. В первом случае корпус устанавливают горизонтально на столе верстака, далее внутрь корпуса устанавливают все ступени компенсатора и фиксируют их переводником, имеющем резьбу.
При вертикальной сборке устанавливают переводник как показано на рисунке 4.2. Затем на нем собирают внутренние детали компенсатора. В последнюю очередь на сборку надевают корпус и закрепляют резьбовое соединение корпуса и переводника
В корпус компенсатора устанавливают перегородки с установленными на них пружинами и поршнями. Перегородки фиксируют втулками, движение поршня также ограничивают втулками.
Ступени гасителя устанавливают так, чтобы поршни одновременно гасили колебания давления и расхода жидкости в циркуляционной системе буровой установки (рисунок 4.2).
В корпусе окончательно перегородки фиксируются зажатием их в осевом направлении переводником (рисунок 4.2).
Анализируя рисунки 4.3 и 4.4 становится очевидным уменьшение амплитуды колебаний в гидросистеме лабораторного стенда порядка на 30% при установки в стенд компенсатора, что свидетельствует о его эффективной работе и возможности установки его в компоновку бурильного инструмента при проведении промысловых исследований.
Геологический разрез разбуренного интервала: бурение велось в Татарском ярусе (28-115 м, неравномерное переслаивание глин, алевролитов, песчаников, мергелей, с прослоями доломитов и известняков), Сокской свите (115-193 м, алевролиты и глины серые, темно и зеленовато-серые), Сосновской свите (119-263 м, известняки, ангидриты, глины и доломиты серые с гнездами и с желваками гипса), Гидрохимической свите (263-304 м, в подошве и кровле ангидриты серые и голубовато-серые, плотные кристаллические, в средней части каменная соль белого цвета с розоватым оттенком, кристаллическая с включениями и прослойками ангидритов и доломитов), Калиновской свите (304-340 м, глины темно-серые, плотные, слабо песчанистые с прослоями мергелей, доломитов и реже известняков), Уфимском ярусе (340-447 м, переслаивание песчаников, алевролитов и глин с редкими прослоями доломитов и мергелей), Иреньском горизонте (447-596 м, ангидриты голубовато-серые, доломиты с прослоями каменной соли белого цвета с розоватым оттенком), Филипповском горизонте (596-677 м, ангидриты голубовато-серые с прослоями доломитов серых, в подошве выделяются «плойчатые доломиты»), Артинском ярусе (677-733 м, ангидриты, доломиты и известняки серые), Сакмарском ярусе (733-741 м, известняки серые, доломиты серые с прослоями и включениями ангидритов).
С применением гидромеханического компенсатора давления пробурено 713 м в интервале 28...741 м, механическая скорость составила 17 м/ч. Параметры промывочной жидкости: раствор БПСР, расход – 32л/с, плотность – 1120 кг/м3, условная вязкость – 30 с, водоотдача – 10 см3/30 мин, pH-8. Опытное бурение показало, что гидромеханический компенсатор давления работоспособен: в процессе бурения скважины не было отказов (поломок деталей). За время испытания гидромеханического компенсатора давления не произошло разрыва диафрагмы компенсатора бурового насоса и срабатывания предохранительного устройства. Периодический замер пульсаций давления преобразователем давления измерительным ПДИ-01-02 показал, что неравномерность давления промывочной жидкости при отсутствии в компоновке бурильного инструмента гидромеханического компенсатора составляла приблизительно 0,55, а с применением гидромеханического компенсатора снизилась до 0,3. Кроме этого за счет равномерной отработки долота получено увеличение механической скорости бурения на 18% в отличие от аналогичного бурения без применения гидромеханического компенсатора давления.
