Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время одной из важных экономических задач является повышение эффективности разработки месторождений полезньк ископаемых. В связи с этим встает вопрос об увеличении технико-экономических показателей буровых работ. Решение этой задачи в значительной степени способствует изучение динамических процессов, сопровождающих работу бурильного инструмента.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что исполнительный орган машины при бурении скважин совершает разнохарактерные вибрации, среди которых преобладающими являются колебания продольно-крутильного типа. Эти колебания зачастую носят весьма интенсивный характер и значительно снижают эффективность бурения и надежность бурильного инструмента. При разработке эффективных мер подавления этих вибраций преобладает необходимость создания адекватных динамических моделей бурильных установок и процессов их взаимодействия с разрушаемой горной породой.
Целью работы является создание динамических моделей механизмов, предназначенных для проходки взрывных скважин, а также бурильных колонн большой глубины, используемых в основном при добычи нефти и газа.
Основная идея работы состоит в определении при помощи современных аналитических методов теории нелинейных механических колебаний условий, которые обеспечивают нормальный рабочий режим движения исполнительного органа бурильной установки.
Основные задачи работы обусловлены поставленной целью и заключаются в следующем
1. Составить полную систему дифференциально-разностных
соотношений, позволяющих определить движение исполнительного
органа бурильной установки под действием внешних активных сил и
сил его взаимодействия с разрушаемой горной породой,
2. Составить дифференциальные уравнения движения типовой
схемы станка шарошечного бурения взрывных скважин и обосновать
его упрощенную динамическую модель в случае постоянной угловой скорости долота.
3. Провести комплексное исследование устойчивости
стационарного режима движения и вынужденных колебаний
упрощенной модели станка современными методами теории колебаний.
4. Обосновать квазиконсервативную постановку задачи об
устойчивости стационарного вращения буровой колонны и получить ее
решение методом малого параметра в первом приближении.
5. Построить алгоритм определения критической'глубины бурения
и дать рекомендации по стабилизации стационарного бурения.
6. Исследовать механизм перекачки энергии из крутильных
колебаний в продольные и изучить влияние данного явления на
устойчивость стационарного движения.
Методы исследования. Используются современные методы динамического описания движения механических систем, а также точные и приближенные аналитические и численные методы интегрирования дифференциально-разностных уравнений.
Защищаемые положения.
-
Полное решение задачи об устойчивости стационарного режима движения простейшей динамической модели станка шарошечного бурения, полученное при помощи метода D-разбиений.
-
Решение задачи об устойчивости стационарного вращения буровой колонны в квазиконсервативном приближении и алгоритм для определения предельной глубины бурения.
-
Анализ механизма перекачки энергии крутильных колебаний исполнительного органа бурильной установки в продольные и наоборот.
Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием современных представлений о характере динамического взаимодействия исполнительного органа бурильной установки с разрушаемой горной породой, которые получили подтверждение экспериментально и хорошо себя зарекомендовали при анализе динамики механизмов рассматриваемого класса в смежных областях промышленности;
применением современных апробированных методов общей механики и теории механических колебаний.
Научная новизна. Полученное решение задачи об устойчивости стационарного движения исполнительного органа при бурении скважин является новым по следующим причинам:
-
имеющееся ранее решения близких задач были получены с помощью частотных методов на основе критерия Найквиста и носили фрагментами характер;
-
впервые задача об устойчивости стационарного движения бурильной колонны была решена в квазиконсервативной постановке, что позволило дать энергетическую трактовку результирующим соотношениям и предложить конструктивный алгоритм определения предельной глубины бурения.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при проведении динамических расчетов бурильных установок и определении рациональных режимов бурения. Разработанные алгоритмы исследования устойчивости стационарного движения могут быть использованы при динамическом анализе близких механических задач.
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученых С-ПГТИ (г.Санкт-Петербург, 1995, 1996гг.), на XI симпозиуме по динамике виброударных систем (г.Москва, 1995г.), на научном семинаре Института проблем машиноведения РАН ( г. Санкт-Петербург, 1996г.).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликованы три научных работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, изложенных на 93 страницах, содержит 23 рисунка и список литературы из 49 наименований.