Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ теоретических и экспериментальных исследований работы скважинных механизмов и буровых насосов 13
1.1 Анализ результатов исследований по разрушению горных пород 17
1.2 Анализ моделирования процессов при бурении скважин 30
1.2.1 Анализ исследований динамики работы долота на разрушаемом забое 30
1.2.2 Анализ исследований динамики бурильного инструмента 37
1.2.3 Анализ исследований по моделированию процесса бурения и оптимизации его режимов 48
1.3 Анализ исследований работы и характеристик гидравлических забойных двигателей 50
1.3.1 Энергетические характеристики турбобуров 51
1.3.2 Энергетические характеристики винтовых забойных двигателей 60
1.3.3 Сравнительный анализ характеристик забойных двигателей 69
1.4 Исследования работы буровых насосов в условиях колебания давления в потоке промывочной жидкости 73
1.5 Анализ исследований процессов передачи энергии при углублении скважины 75
Выводы по разделу 1 78
2 Системно-аналитический подход к решению проблем в бурении скважин 80
2.1 Основные понятия и определения 80
2.2 Моделирование системы «буровой насос - бурильный инструмент -скважина» 83
2.3 Построение моделей систем (подсистем), отражающих передачу энергии 88
2.4 Закономерность передачи энергии от источника к потребителю 92
2.5 Способ построения моделей при передаче энергии от источника к потребителю 98
Выводы по разделу 2 102
3 Оптимизация породоразрушающей вершины зуба долота и эффективного их расположения на шарошке 103
3.1 Основные понятия и определения 103
3.2 Обоснование формы породоразрушающей вершины зуба долота 107
3.3 Моделирование механизма разрушения породы под ПВЗД 112
3.4 Энергоемкость разрушения горной породы в скважине 116
3.5 Проектирование шарошки с эффективным расположением зубьев 118
Выводы по разделу 3 125
4 Методика экспериментально-теоретического исследования и моделирования работы шарошечного долота на разрушаемом забое 126
4.1 Теоретическое исследование работы шарошечного долота 127
4.2 Экспериментальное исследование нагруженности секций шарошечного долота 150
4.3 Использование результатов экспериментальных исследований для уточнения аналитического способа определения сил, действующих на шарошку со стороны разрушаемой породы 163
4.4 Моделирование работы шарошечного долота на разрушаемом забое 166
Выводы по разделу 4 167
5 Развитие научно-методических основ моделирования характеристик турбобуров и винтовых забойных двигателей 169
5.1 Совершенствование моделей характеристик турбобуров и винтовых забойных двигателей 171
5.2 Совершенствование методов расчета параметров характеристики турбобура 177
5.3 Методика проектирования модели характеристики турбобура 182
5.4 Методика проектирования модели винтового забойного двигателя 185
Выводы по разделу 5 191
6 Совершенствование методов проектирования и формирования режимных и технологических параметров процесса углубления скважин 192
6.1 Совершенствование методов расчета частоты вращения вала турбобура и осевой нагрузки на забой 193
6.2 Совершенствование метода расчета давления на выходе бурового насоса 197
6.3 Разработка новой конструкции устройства формирования осевой нагрузки на долото 201
6.4 Совершенствование роторно-шпиндельного способа бурения скважин для долот РСД с результатами промысловых испытаний 204
6.5 Обоснование причин поломок элементов низа бурильного инструмента 212
Выводы по разделу 6 215
Основные выводы и рекомендации 216
Список использованных источников 218
Приложения 241
- Анализ исследований динамики работы долота на разрушаемом забое
- Закономерность передачи энергии от источника к потребителю
- Теоретическое исследование работы шарошечного долота
- Совершенствование роторно-шпиндельного способа бурения скважин для долот РСД с результатами промысловых испытаний
Введение к работе
з Актуальность работы
Повышение эффективности и качества строительства скважин в разных геолого-технических условиях, а, следовательно, и снижение стоимости строительства скважин остается важной научно-технической проблемой, имеющей большое народно-хозяйственное значение. Актуальность проблемы повышается в связи с разработкой новых нефтегазовых месторождений, залегающих на больших глубинах со сложными горно-геологическими условиями. Одной из важнейших составляющих проблемы повышения эффективности буровых работ является совершенствование процесса углубления скважины. Этой проблеме на протяжении более чем столетней истории вращательного бурения посвящено значительное количество работ, но имеется ряд актуальных задач, требующих решения, с методологической основой на базе системно-аналитического подхода (САП), при котором более точно можно исследовать структуру и механизм функционирования объекта или процесса. До сих пор в бурении исследователи чаще всего интуитивно применяли основные принципы системного подхода (СП) при анализе и синтезе объектов и процессов при бурении скважин, что в явном виде, в основном, относилось к процессам управления роторным бурением.
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в исследовании процесса
разрушения горных пород, механизм разрушения остается дискуссионным, не
полностью использованы возможности оптимизации формы
породоразрушающей вершины зуба и взаимного расположения зубьев на шарошке.
В основу имеющихся имитационных моделей, позволяющих оценить кинематические и технологические характеристики долот, положены существенные допущения, в связи, с чем необходимы значительные уточнения этих моделей.
Требуется дополнительно исследовать влияние гидроимпульсного
давления на работу буровых насосов и уточнить выражения для расчета технологически необходимых величин давления на выходе бурового насоса.
Отсутствует методологическая основа построения имитационных моделей характеристик серийных турбобуров и винтовых забойных двигателей (ВЗД), а имеющиеся упрощенные энергетические характеристики малоинформативны для практических расчетов и оптимизации режимов работы гидравлических забойных двигателей (ГЗД).
Актуальность работы обусловлена и тем, что до сих пор процесс углубления скважины не оптимизирован, не используются имеющиеся резервы совершенствования конструкций долот, механического привода, технико-технологических характеристик гидравлических забойных двигателей и режимов бурения.
Одним из наиболее эффективных методов оптимизации в технике является системное моделирование функционирования объектов и процессов. Поэтому развитие методологии моделирования и совершенствование процессов технологии бурения и конструкций скважинных механизмов является актуальной проблемой повышения эффективности бурения скважин.
Цель работы
Повышение эффективности бурения скважин путем развития методологии моделирования и совершенствования процессов технологии бурения и скважинных механизмов.
Основные задачи исследований
1. Системный анализ теоретических, экспериментальных стендовых и
промысловых исследований по разрушению горных пород, технологии
углубления скважин, работе бурильного инструмента и обоснование научно-
технических направлений совершенствования процесса углубления скважин.
2. Развитие методологических основ системно-аналитического
исследования функционирования системы «буровой насос - бурильный
инструмент - скважина» и формулирование принципов передачи энергии в
динамических системах.
3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса
разрушения породы, разработка схемы развития скачков разрушения породы
(СРП) в скважине, оптимизация породоразрушающей вершины зуба долота
(ПВЗД) и разработка эффективной схемы расположения зубьев на шарошках.
4. Развитие методологии моделирования работы шарошечного долота на
разрушаемом забое с обоснованием новой, отражающей реальные условия
работы схемы реакции забоя, и разработкой имитационной модели работы
шарошечного долота для оценки его кинематических и технологических
характеристик.
5. Разработка научно-методических основ построения имитационных
моделей характеристик серийных турбобуров и винтовых забойных
двигателей.
6. Совершенствование методов проектирования режимных и
технологических параметров процесса бурения с разработкой устройств для
формирования и обеспечения эффективного процесса углубления скважин.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы
Исследование и разработка научных положений и создание на их основе моделей объектов и процессов углубления скважин проводились с комплексным применением теоретических и экспериментальных методов. Решение ряда новых задач, таких как формулировка закономерности реализации энергии в динамических системах, выполнена на основе анализа природных явлений и объектов, а также анализа функционирования систем «источник - преобразователь - потребитель» энергии с учетом закона сохранения энергии, принципа наименьшего действия Моперпои-Лагранжа и базируется на данных, полученных экспериментальным путем автором и другими исследователями.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью
б разработанных математических моделей, их адекватностью изучаемым процессам. Разработанные теоретические положения и новые технические решения апробированы экспериментально в лабораторных условиях или в результате промысловых испытаний. Экспериментальные исследования по кинематике и нагруженности долот были метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе ВНИИБТ. Результаты экспериментов и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей. Промысловые испытания проводились в условиях реально буримой скважины. Достоверность новизны технических решений подтверждена двумя патентами на полезные модели. Защищаемые положения
1. Принцип передачи энергии по закономерности «трех синусоид» в
динамических системах «источник - преобразователь - потребитель» энергии.
2. Схема развития скачков разрушения породы, новые формы
породоразрушающих вершин зубьев и формулы для расчета расположения
зубьев на шарошке с учетом взаимовлияния их на объем выбуриваемой породы.
3. Новая схема реакции забоя и имитационная модель работы
шарошечного долота, отражающая реальные условия работы долота на
разрушаемом забое. Результаты теоретических и стендовых исследований
кинематики и динамики шарошечного долота в процессе разрушения породы.
4. Методика построения моделей технико-технологических
характеристик серийных турбобуров и винтовых забойных двигателей,
учитывающая реальные условия их работы при проводке скважин.
5. Уточненная методика проектирования режима бурения с
гидравлическими забойными двигателями долотами режуще-скалывающего
типа.
6. Автономное устройство для формирования осевой нагрузки на долото
при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин турбинным
способом, а также устройство для реализации роторно-шпиндельного способа
бурения скважин, в том числе и в осложненных условиях. Научная новизна работы
1. Получены результаты научных обобщений и дана аналитическая
оценка современного уровня решения проблем повышения эффективности
процесса углубления скважин. Установлена необходимость развития
методологии моделирования технологических процессов бурения и
скважинных механизмов.
-
На основе системно-аналитического исследования функционирования системы «буровой насос - бурильный инструмент - скважина» и отдельных ее подсистем впервые предложена трактовка принципа реализации энергии в динамических системах - закономерности «трех синусоид». Установленная закономерность применима ко всем физическим системам.
-
Разработана схема развития скачков разрушения породы в скважине и расширено объяснение механизма этого явления, обоснована необходимость конструирования вогнутой породоразрушающ
4. Теоретически обоснована и экспериментально апробирована
имитационная модель работы на разрушаемом забое шарошечного долота с
любой формой породоразрушагощих элементов. Получена зависимость
кинематических и технологических параметров долота от конструктивных
параметров его элементов и физико-механических свойств разрушаемой
породы.
5. На основе разработанной с применением системно-аналитического
подхода и закономерности реализации энергии в динамических системах
методики построены модели технико-технологических характеристик
гидравлических забойных двигателей, учитывающие реальные условия их
работы при проводке скважин.
5. Теоретически обоснованы и усовершенствованы методы
g проектирования режимных и технологических параметров процесса бурения. Обосновано применение роторно-шпиндельного способа бурения скважин с использованием долот режуще-скалывающего действия. Практическая ценность
1. Разработаны и запатентованы новые формы породоразрушающих
вершин зубьев и схема расположения зубьев на шарошках, обеспечивающие
эффективное использование подводимой к забою мощности на разрушение
породы.
2. Решена задача теории расчета и моделирования работы шарошечного
долота на разрушаемом забое, разработана и апробирована имитационная
модель работы долота.
3. Разработана методика проектирования моделей технико-
технологических характеристик серийных турбобуров и ВЗД.
4. Разработано и запатентовано автономное механическое устройство для
формирования осевой нагрузки на долото при бурении наклонно-направленных
и горизонтальных скважин турбинным способом.
5. Разработано и испытано в промысловых условиях устройство для
роторно-шпиндельного способа бурения скважин, подтвердившее
перспективность его использования.
6. Разработанные имитационные модели работы шарошечного долота на
разрушаемом забое и технико-технологические характеристики турбобура и
ВЗД используются в вузе для подготовки специалистов нефтегазового профиля.
Апробация работы
Основные научные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научных форумах: 2-й Всесоюзной конференции по динамике и прочности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1977 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1985 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной
Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.), 6-й и 7-й региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии нефтегазовому региону» (г. Тюмень, 2007 г., 2008 г.), 2-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии -нефтегазовому региону» (г. Тюмень, 2008 г.).
По теме диссертации делались сообщения и доклады на научно-практических и научно-методических конференциях ТюмГНГУ с 1981-2008 гг.
Публикации
По материалам исследований, представленным в диссертации, опубликовано 19 печатных работ, в том числе монография, 7 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций материалов докторских диссертаций, 9 статей и докладов в других изданиях, 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы
Анализ исследований динамики работы долота на разрушаемом забое
Моделированию работы шарошечных долот в разные годы посвящены работы Э.Л. Комма, Г.Ф. Перлова, А.С. Мокшина, А.И. Спивака, А.Н. Попова, Б.Н. Трушкина, Б.Л. Стеклянова, М.М. Абдуллина, О.Б. Трушкина, О.Г. Блинкова, В.Г. Неупокоева, Л.В. Морозова и др. исследователей.
В лаборатории механики долота ВНИИБТ были разработаны методика и комплекс устройств и средств измерения для экспериментального определения нагрузок, воспринимаемых каждой шарошкой (секцией) во время их работы на забое [61]. Однако при разработке этой методики были сделаны допущения, которые уменьшают достоверность определяемого силового воздействия на шарошку.
Сложная схема взаимодействия элементов вооружения долот дробяще-скалывающего класса приведена Спиваком А.И. и Поповым А.Н. [12]. Здесь описан механизм взаимодействия зубьев шарошки с породой в процессе ее разрушения. Взаимодействующий с породой зуб долота вдавливается в породу осевой силой и одновременно участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении и вращении с угловой скоростью. В это же время соседний зуб движется к поверхности породы и наносит по ней удар. В следующие моменты времени нагрузка перераспределяется с первого зуба на второй, а далее первый зуб выходит из контакта с горной породой. Экспериментальные исследования взаимодействия отдельных элементов вооружения долота с горной породой выполнены авторами совместно с Трушкиным Б.Н. [62] по схеме бурения одним зубом.
В большинстве проводимых экспериментальных исследований угловая скорость шарошки усреднялась в пределах одного оборота. Однако, как отмечал Абдуллин М.М. [63], необходимо знать, как «параметры изменяются в пределах одного взаимодействия, т.е. знания «мгновенной» скорости вращения». В результате обширных экспериментальных исследований, проведенных на специально сконструированном стенде, позволяющем изучать силовые и кинематические параметры серийных шарошечных долот при прямом бурении породы, было установлено, что мгновенные передаточные отношения шарошек изменяются в 1,4... 1,75 раза в пределах одного оборота, при этом минимумы мгновенного передаточного отношения приходятся на вертикальные относительно забоя положения зубьев.
В работе Биланенко Н.А. [64] установлены аналитические зависимости для определения скоростей соударения и движения в контакте с забоем элементов вооружения зубчатого венца шарошки, а также нелинейные зависимости между углами поворота венца вокруг своей оси и вокруг оси долота при работе на деформируемом забое. В основе предложенной модели та же, что и у Стеклянова Б.Л. [65] модель, но решается обратная задача - за счет варьирования геометрическими параметрами определяется их оптимальное соотношение с учетом критериев оптимизации (износостойкости). В теоретических исследованиях Стеклянова Б.Л. [65] и Биланенко Н.А. [64] глубина погружения зубьев в породу учитывалась только для определения рабочих участков зубьев, а сила сопротивления движению в контакте с породой принималась постоянной в течение времени контакта, хотя известно, что сила сопротивления породы разрушению, действующая на рабочий элемент шарошки, зависит от многих факторов и изменяется в широких пределах, как по величине, так и по направлению.
Глубину погружения зубьев в породу (разрушаемый забой) учитывали авторы работы [66] во главе с Зубаревым А.В., которые рассматривали работу одношарошечного долота и предполагали, что сила сопротивления разбуриванию породы зависит от ширины зуба и глубины погружения его в породу.
Коллективом авторов под руководством Эйгелеса Р. М. создана наиболее совершенная, из всех существовавших ранее, математическая модель работы шарошечного долота, описывающая взаимодействие в системе «бурильная колонна — долото — забой». Модель представляет собой совокупность взаимосвязанных модулей расчета кинематики и динамики долота, колебаний бурильной колонны, а также формирования и углубления забоя, при бурении. Общее описание каждого из модулей модели дано в работе [67]. Модель позволяет для заданного сочетания параметров конструкции долота и бурильной колонны, режима и условий бурения определить для любого момента времени бурения распределение сил и перемещений любой точки бурильного инструмента, начиная от верхнего конца бурильной колонны и кончая вершинами зубков шарошек долота. В работе [68] та же группа авторов описывает оригинальный способ учета в этой модели влияния особенностей формы реального забоя, образуемого шарошечным долотом, на его кинематику и динамику. Эксперименты по изучению влияния формы забоя и кинематики взаимодействия долота с породой на компоненты силы сопротивления породы внедрению зубков различных форм и на геометрию лунки разрушения проводились на стенде КИПР-2С, описание которого приводится в работе [69]. Здесь же приводится описание методики, а в работе [70] - результаты экспериментов по исследованию влияния скольжения зубков шарошечных долот с различной формой рабочей поверхности на характеристики их взаимодействия с горной породой в условиях высокого давления. Ввиду отсутствия аналитического решения задачи об определении реакции породы, действующей на породоразрушающие вершины зубьев, на каждом шаге реализации математической модели долота [67, 68] компоненты сил, используемые в расчетах, выражаются через компоненты, полученные экспериментально на стенде, в котором взаимодействие зубка с породой, в отличие от реальных условий разрушения породы шарошечными долотами, обеспечивается за счет жесткой кинематической связи.
Математическое описание процесса работы инструмента режущего типа, базирующееся на экспериментальных исследованиях, представлено большим коллективом авторов в работе [71]. В основу математической модели положено рассмотрение взаимодействия вооружения долота режущего действия с горной породой под действием осевой нагрузки и крутящего момента. При этом предполагается, что сила сопротивления внедрению, действующая на элементарный участок профиля вооружения, пропорциональна силе резания и находится в степенных зависимостях от глубины его внедрения в разбуриваемую горную породу и от скорости резания (проводится аналогия с резанием металлов). Значения осевой силы и крутящего момента определяются методом интегрирования по радиусу долота усилий, действующих на элементарные участки профиля вооружения. Сравнение результатов расчетов, полученных на математической модели, с результатами испытаний лабораторного долота на буровом стенде дает основание судить об адекватности модели описываемому процессу.
Трушкиным О.Б. [72] создано автономное устройство в скважинном и стендовом вариантах для измерений и регистрации осевой нагрузки, крутящего и изгибающего моментов, действующих на долото в процессе бурения породы. Использованы современные средства записи результатов в «энергонезависимую электронную память», а также - современные средства расшифровки и графического представления цифровой регистрации силовых параметров работы долота. Замеры в стендовых условиях проводились для мрамора с твердостью по штампу 850 МПа, пределом текучести 600 МПа, условным коэффициентом пластичности 1,7...2. График зависимости энергоемкости разрушения породы от осевой нагрузки на долото Ш215,9С-ГВ имеет вид ниспадающей, с увеличением нагрузки, скачкообразной кривой с четырьмя минимумами. Полученные автором данные по энергоемкости разрушения мрамора скачкам разрушения представлены в приложении 1, таблица П. 1.3. Установлено, что долота в основном работают в пределах третьего скачка разрушения. Для долот РСД с остро заточенными резцами график энергоемкости имеет вид ниспадающей скачкообразной кривой с 2-я (иногда 3-я скачками) при меньших осевых нагрузках. Автором получены уникальные экспериментальные данные по энергоемкости, моментоемкости, динамичности момента, осевой и поперечной сил для шарошечных долот и долот режуще-скалывающего действия. Энергоемкости шарошечных долот и долот РСД при бурении пород средней твердости отличаются незначительно. Моментоемкость долот РСД при малых осевых нагрузках в 2,4 больше моментоемкости шарошечных долот. При одинаковой моментоемкости осевая нагрузка на долото РСД должна быть ниже, чем для шарошечного долота в (3,7...6) раз (верхняя граница для острого резца). Перегибы на кривой момента повторяют перегибы на кривой энергоемкости. Наблюдается рост удельного крутящего момента с увеличением осевой нагрузки. Средние значения удельного момента для долот РСД выше, чем для шарошечных долот в 5...7 раз. Удельная поперечная сила для долот РСД в 2 раза больше, чем для шарошечных долот (0,14/0,36). Коэффициенты динамичности по нагрузке и моменту интенсивно снижаются с увеличение осевой нагрузки. Соотношение средних значений коэффициентов динамичности по нагрузке, крутящему и изгибающему моменту для шарошечных долот - 1: 1,27: 1,59, для долот РСД - 1: 1,07: 1,36.
Закономерность передачи энергии от источника к потребителю
Так как передача энергии в элементах системы и действие реакции на передачу энергии происходят постоянно, то применительно к каждой подсистеме цепочку событий по расходу энергии можно принять из трех составляющих: «преобразование Э - передача Э - перестройка режима передачи Э». Последний элемент относится к перестройке режима работы объекта для передачи энергии потребителю и для принятия полномерной энергии от ее источника. Как видно, из большой системы выделена простая система, в которой оставлен процесс по передаче энергии в рассматриваемой системе. Коммуникативность принятой системы следует выявить при рассмотрении других ячеек в сети более общей системы объектов и действий в буримой скважине, где следует учитывать и взаимодействие БИ с ее стенками (силы трения, реакции и др.).
Схема (график) простой системы, состоящей из трех энергетических компонентов, например векторов, эффективна и более реальна, а с учетом действий компонента во времени такую схему можно представить в форме четырехугольника, в идеале - равнобедренной трапеции. КПД передачи энергии в такой системе может достигать 95%, что для реальной модели системы практически невозможно.
На специальном стенде [174] были проведены сотни опытов по исследованию гидроимпульсного суммарного давления PRC [175], возникающего при воздействии поршнем или стержнем на встречный поток жидкости в трубопроводе (в т.ч. и в БК). В этом случае одиночные импульсы PR суммируются в пакет волн PRC, который со скоростью звука в ПЖ в трубопроводе движется к источнику энергии ПЖ (к насосу - буровому и др.) и нарушает его работу [176]. График приращения давления в гидросистеме в зависимости от величины начального давления представлен на рисунке 2.3.
На виброэнергию (Эви) источник энергии может расходовать до 33% от ее нормального уровня, но возможен только кратковременный перевод всей энергии насоса в Эви, в результате чего в работе насоса неизбежны нарушения, связанные с прокачиванием жидкости. Получены зависимости для расчета PRC [177, (2.25)]. На рисунке 2.4 представлена диаграмма изменения PRC = f(t). Отметим, что схема прокачивания жидкости в скважине и на стенде в принципе аналогична схеме для живых теплокровных существ, в первую очередь человека.
Результатами исследований гидроимпульсного давления PRC подтверждены механизм и закономерность передачи гидравлической энергии в системах «преобразование Э - передача Э - перестройка режима передачи Э» (в системах ПГШ).
В условном названии предложенной трактовки закономерности передачи энергии применен термин закономерность «трех синусоид» [178], поскольку модели обычно представляют в форме графа, как на рисунке 2.4, но, как правило, энергия передается и потребляется в виде пакета синусоид или близким к ним по форме кривым, поэтому модели по передаче энергии от ее источника до потребителя желательно представлять и в объемном виде (рисунок 2.5).
Естественными образцами при этом, являются пламя свечи, многие плоды растений, обитатели водной среды и другие сотни объектов (рисунок П.2.1, приложение 2). Причем, потребители энергии, преодолевающие поток энергии, используют такие закономерности передачи энергии и в обратном порядке, начиная процесс с перестройки системы (рисунок П.2.2, приложение 2).
В иерархической системы «пространство-энергия-время» любую систему можно рассматривать как систему-транслятор энергии, существующую в собственных энерго-временных координатах, где потоки энергии от внешнего или собственного источника энергии перемещаются во времени в форме векторов «энергия-время», ограниченных незамкнутыми для источника и потребителя энергии поверхностями вращения, образованными плоской кривой, состоящей из трех синусоид, вдоль которых перемещение потока энергии во времени осуществляется по двум циклам с преобразованием вида энергии и ее передачей в системе-трансляторе, а затем - по одному из процессов третьего цикла с обменом энергией между системами, с переходом энергии в системах в потенциальное состояние или с разрушением системы после наполнения или перенасыщения ее энергией.
После анализа передачи энергии в других подобных системах, объектах живой и неживой природы, применительно к прямоугольной системе координат, нами сделаны следующие выводы: в соответствующих механизмах систем «преобразование Э - передача Э - перестройка режима передачи Э» передача энергии от источника до потребителя осуществляется по трем кривым - в идеальном случае - синусоидам с результирующими векторами, указывающими направление передачи энергии. Четвертый вектор указывает результирующее кратчайшее расстояние от точки передачи энергии системе «преобразование Э - передача Э - перестройка режима передачи Э» до конечной точки потребителя энергии, т.е. четвертый вектор означает «время», откладываемое «земными» мерами на оси абсцисс (рисунок 2.6).
Дополнительное подведение энергии к системе «преобразование Э -передача Э - перестройка режима передачи Э», или изъятие энергии из систем коммуникативными системами искажает траекторию передачи энергии (или вид графика), но как видно из модели технико-технологической характеристики турбобура (рисунок 5.4), отличие кривых, отражающих передачу энергии от источника до потребителя, может быть незначительным [178].
Установленная закономерность передачи энергии справедлива для любой макросистемы и может быть сформулирована следующим образом: каждая макросистема «источник - преобразователь - потребитель» энергии состоит из иерархически подчиненных в ней по назначению и подобно функционирующих во времени ее составляющих частных систем (подсистем) «источник -преобразователь - потребитель» энергии, в которых энергия передается по трем кривым в идеальном пределе - синусоидам с результирующими направлениями передачи энергии по соответствующим векторам с коэффициентами полезного действия работы макросистемы, достигающими в пределе единицы, при этом присоединение к элементам макросистемы и к ней в целом других систем и механизмов, или изменение иерархического порядка в ее первоначальной форме, меняет предыдущие направления векторов в системах передачи энергии, при снижении в макросистеме и во вновь образованных подсистемах коэффициента полезного действия их работы до 70% и менее, причем для более реального отображения в математических и графических моделях процесса передачи энергии в макросистемах и ее составляющих подсистемах на оси абсцисс (в декартовой системе координат) совместно или раздельно необходимо откладывать время и параметр подсистемы, изменяющийся во времени, например, частоту вращения вала турбобура.
Теоретическое исследование работы шарошечного долота
В процессе бурения скважины на долото со стороны забоя, стенки скважины и промывочной жидкости действует реакция породы и гидродинамическое сопротивление жидкости, а со стороны привода - крутящий момент и осевая нагрузка. При этом осевая нагрузка будет иметь динамическую составляющую, величина которой в основном зависит от жесткости системы, удерживающей долото, физико-механических свойств породы и типа долота.
Рассматриваемые долота ударно-сдвигающего действия предназначены для бурения скважин в породах, обладающих некоторой пластичностью, и разрушаемых скалыванием, резанием, истиранием и частично дроблением. Шарошки таких долот выполняются многоконусными, а оси шарошек в плане, обычно, смещены относительно оси долота. Зубья в различных венцах шарошки смещены относительно друг друга в окружном направлении. В контакт с породой они вступают не одновременно и под некоторым острым углом к ее поверхности. Все это значительно снижает динамические нагрузки. Снижению амплитуды вибраций, возникающих при бурении, способствуют и устанавливаемые над долотом утяжеленные бурильные трубы, амортизаторы, маховые массы, расширители и другие устройства. Нужно отметить, что некоторое демпфирующее воздействие будет оказывать и промывочная жидкость.
Учитывая сказанное, будем считать, что осевая нагрузка и крутящий момент, действующие на долото, скорость вращения долота, а также скорость углубления скважины (механическая скорость бурения) за достаточно малый промежуток времени изменяются в незначительных пределах и могут быть приняты равными их средним значениям для данного промежутка времени.
Пренебрегая действием гидродинамического сопротивления промывочной жидкости, рассмотрим силовые факторы, действующие на долото:
- осевая нагрузка обеспечивает осевую деформацию пород зубьями долота, создается колонной бурильных труб и задается в зависимости от типоразмера долота и возможности обеспечения оптимального характера разрушения породы;
- крутящий момент уравновешивает силы сопротивления, действующие на долото в процессе бурения, и создается колонной бурильных труб или забойным двигателем;
- реакция забоя представляет собой совокупность сил, действующих на рабочие поверхности зубьев шарошек со стороны разрушаемой породы.
Анализируя работы по разрушению горных пород одношарошечными долотами [66], трехшарошечными долотами с фрезерованными зубьями [188, 189], долотами режущего типа [47] можно констатировать, что сила сопротивления горной породы разрушению в основном зависит от ее физико-механических свойств, толщины и ширины разрушаемого слоя, геометрии рабочего элемента, качества и количества промывочной жидкости. Кроме этого наблюдается еще одно очень важное явление - при скорости движения породоразрушающего элемента до 5 м/с, что соответствует процессу разрушения породы шарошечными долотами, величина силы, действующей на рабочий элемент, линейно зависит от ширины и толщины разрушаемого слоя и не зависит от скорости его перемещения [47].
На этом основании в настоящей работе для долот с клиновидными зубьями, имеющими притупление, и штыревыми зубьями предложена новая, отражающая реальные условия схема реакции забоя [190, 191, 192, 193, 194]. При этом сделаны следующие допущения:
- разрушаемая порода является изотропной;
- величина реакции забоя не зависит от скорости скольжения;
- в процессе скачка разрушения породы [180] формируется лунка разрушения с образованием псевдосжиженного ядра из породы с возможностью ее раздавливания;
- суммарная реакция забоя, действующая на зуб шарошки, приложена в центре равновесия эпюры сил, действующих на элементарные площадки породоразрушающей вершины зуба [180].
В принятой схеме реакция забоя R на каждой элементарной площадке рабочей поверхности вершины зуба приложена в центре этой площадки и представляется в виде геометрической суммы двух составлявших сил. Одна из них направлена в тело зуба перпендикулярно рассматриваемой элементарной площадке, а направление другой противоположно направлению абсолютной скорости движения площадки. Предполагается, что эти составляющие в свою очередь складываются из сил сопротивления породы разрушению и сил трения, возникающих в процессе разрушения породы и действующих на зубья шарошки, назовем первую из составляющих реакции забоя Rn условно силой нормального давления, а вторую - силой сопротивления породы разрушению Rc. Для удобства дальнейшего рассмотрения введем аналогично [188] следующие обозначения:
/, к/, к/, hf - соответственно порядковые номера шарошек в долоте, огибающих конусов и зубчатых венцов на шарошке, зубьев в зубчатых венцах шарошки;
пш 5 п/ п/ nkf- соответственно число шарошек в долоте, огибающих конусов и зубчатых венцов на шарошке, зубьев в зубчатых венцах шарошки;
Прц - число зубьев к-го венца,/-й шарошки, разрушающих породу забоя в фиксированный момент времени. Индексы / и к будем опускать, если очевидна принадлежность к /-й шарошке или к-му венцу. Порядок нумерации огибающих конусов и зубчатых венцов следует от центра долота к периферии. Предпоследний венец (к=п-1) называется периферийным, а последний (к = п) -затылочным. Для параметров, связанных с какой-либо точкой, введем дополнительный индекс q.
Рассмотрим многоконусную шарошку (рисунок 4.1) с положительным смещением оси вращения (е/ 0). На рисунке 4.1 представлены следующие системы координат:
хс ус zc - неподвижная система координат, связанная со скважиной;
д Уд д - система координат, связанная с долотом;
х2 У2 z2 - система координат, ось z2 которой служит осью вращения шарошки;
хз Уз з - вспомогательная система координат, центр которой совпадает с центром системы х2 у2 z2, а оси соответственно параллельны осям хд уд zd. Здесь же а/ - угол наклона оси цапфы шарошки к оси долота, а векторы угловых скоростей долота сод и шарошки а ш направлены соответственно по осям zd и z2.
Определим скорость движения q-й точки /-го зуба в к-ы венце /-и шарошки. Ею будет абсолютная скорость этой точки в сложном относительном и переносном движении. Здесь относительным движением является вращение шарошки вокруг своей оси (V ik), а переносное движение складывается из вращения вокруг оси долота (V jk) и поступательного движения вместе с долотом в процессе углубления скважины (VM) (рисунок 4.2).
Совершенствование роторно-шпиндельного способа бурения скважин для долот РСД с результатами промысловых испытаний
Сравнительный анализ положительных качеств и недостатков роторного способа бурения глубоких скважин, бурения с использованием ГЗД и электробуров приведен в работе [177]. Впервые объединить преимущества роторного и турбинного способов бурения предложили в 1992 году Кулябин Г.А. и Кузнецов Ю.С. [207], запатентовав новый способ бурения скважин, условно названный ими "роторно-шпиндельным" способом, при котором между долотом и бурильной колонной размещается специальное устройство, а колонна вращается ротором. При новом способе бурения расширяются возможности регулирования параметров осевой нагрузки на долото G, частоты его вращения п, энергии, направленной на разрушение горных пород, и энергии, поступающей в бурильную колонну в процессе вибраций долота. Устройство включает: корпус, вал, механизм для менее жесткой, чем при роторном бурении, передачи вращающего момента долоту, радиальную и осевую опоры, гидрокамеру, в которой размещаются амортизирующие элементы. Основные недостатки устройства и нового способа для вращательного бурения скважин следующие. В устройстве для одновременной передачи вращающего момента М и осевого усилия на долото G предложено применять витые спаренные пружины с разным направлением навивки, что технически сложно выполнить, в связи с ограниченным по диаметру пространством скважины. Для применения таких пружин нет точных расчетов, так как их жесткости вдоль оси, а также на кручение изменяются нелинейно. Следовательно, механизм одновременной передачи М и G малоэффективен, особенно при необходимости поддерживать определенную жесткость передачи G на долото. При этом менять место приложения G по длине (вдоль оси скважин) таких пружин технически сложно. Подбор этого типа и сочетания пружин с целью одновременного гарантированного снижения возможности и необходимости предотвращения резонансных явлений в упругом звене передачи М и G затруднен. Из опыта эксплуатации шпинделя типа ШИП с различными пружинами и пружин в железнодорожных вагонах известно, что потенциальный ресурс их на отказ при осевых усилиях более 20 кН весьма мал и ограничен во времени несколькими часами работы. Кроме отмеченных есть и другие недостатки в известном устройстве: нет механизма для повышения перепада давления в потоке промывочной жидкости, которым можно создать необходимое гидравлическое осевое усилие Gr на вал шпинделя, когда нельзя применять струйные насадки долота, особенно при бурении с наполнителями для ликвидации поглощений в скважине. Что касается способа бурения, то его обоснование было выполнено только для шарошечных долот с учетом осевых зубцовых вибраций долота. Бурение с использованием долот РСД не рассматривалось. Как известно, механизм разрушения пород долотами этого типа существенно отличается от разрушения пород шарошечными долотами [41-46].
На основе стендовых и промысловых исследований Лукьяновым В.Т. [73] и Трушкиным О.Б. [72] были получены данные по динамичности момента, осевой и поперечной сил для долот режуще-скалывающего действия. В работе [72] средние значения коэффициента динамичности оцениваются диапазоном 1,25... 1,39, а средние значения коэффициентов динамичности по крутящему и изгибающему моментам, соответственно, в 1,07 и 1,36 раза больше. Кроме этого автором [72] установлено, что разрушение породы долотами РСД носит скачкообразный характер с 2-я (иногда 3-я скачками) разрушения. Несмотря на то, что природа возникновения осевых вибраций шарошечных долот и долот РСД различна, наличие самих осевых вибраций и скачкообразный характер разрушения породы долотами РСД дают основания сделать предположение, что, разделив функции передачи вращающего момента и осевой нагрузки на долото РСД, и создав условия для широкого регулирования соотношения динамической и статической составляющих осевой нагрузки, а также регулирования частоты вращения долота п, можно увеличить энергию, идущую на разрушение горных пород, увеличить эффективность поражения забоя за единичный оборот долота, тем самым увеличив механическую скорость проходки скважины.
В результате дальнейших совместных исследований нами предложено устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин [177, 208]. Устройство (рисунок 6.2) содержит бурильную колонну 1, осевую опору 2, выполненную в форме шпинделя с корпусом 3, полым валом 4 с отверстиями 5 и уплотнениями 6, и центрирующие элементы 7 (нижнее, среднее и верхнее). Между бурильной колонной 1 и корпусом 3 шпинделя встроен дополнительный корпус 8 устройства. Дополнительный корпус 8 устройства жестко соединен с корпусом 3 шпинделя. Внутри дополнительного корпуса 8 устройства расположен соосно торсионный вал 9, присоединенный к валу 4 шпинделя. В верхней части дополнительного корпуса 8 устройства встроена верхняя траверса 10, в которой выполнены отверстия с установкой в них регулируемых по диаметру струйных насадок 11 и гнездо 12. В верхней части дополнительного корпуса 8 устройства встроена, например, с применением резьбы, нижняя траверса 13 с отверстиями 14 для прохода через них промывочной жидкости, и выполнено центральное граненое отверстие 15, в котором размещена граненая часть 16 торсионного вала 9. Нижняя траверса 13 зафиксирована контргайкой 17. Между граненой частью 16 торсионного вала 9 на его верхнюю часть 18, установлены шайба 19 и верхняя стальная пружина 20, которая для центрирования верхним концом вставлена в гнездо 12. В дополнительном корпусе 8 устройства на торсионный вал 9 надето от одной до трех параллельно и-или последовательно работающих на сжатие стальных пружин 21 с их опорой на кольцо 22. Над пружинами 21 установлены кольцо 23 и патрубок 24 для регулировки величин поджатия пружин 21. К нижнему центрирующему элементу 7 присоединено через переводник 25 долото. Пластина 22 установлена на буртик 26 или на коническую часть 27 торсионного вала 9. Нижний конец 27 торсионного вала 9 выполнен с резьбой или со шлицами. На рисунке 6.2 стрелками обозначены GCHC, Gnp, Тп - осевые усилия от веса сжатой части бурильной колонны, от предварительно поджатых пружин и усилие на осевую опору шпинделя; Gr, G- гидравлическое усилие на вал устройства и осевая нагрузка на долото.
Способ бурения заключается в раздельной передаче вращающего момента и осевой нагрузки от бурильной колонны 1 к валу 4 шпинделя и долоту, в расширении возможностей регулирования параметров вибраций буровой колонны 1 и величинами гидравлического усилия Gr, которое формируется путем создания перепадов давления в промывочном узле долота и-или в регулируемых по поперечной площади отверстиях для прохода промывочной жидкости верхней траверсы 10.
Повышение механической скорости бурения обеспечивается тем, что работа устройства отличается воздействием на горную породу путем встраивания между бурильной колонной и осевой опорой-шпинделем, применяемым в забойном двигателе, дополнительного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что способ для роторно-шпиндельного бурения скважин включает передачу вращающего момента от бурильной колонны через нижнюю траверсу и торсионный вал и вал шпинделя (и далее долоту), при этом гидравлическое осевое усилие, образованное в потоке промывочной жидкости, передают через торсионный вал и вал шпинделя долоту, а осевую опору в шпинделе загружают осевым усилием, равным разности между весом разгруженной на забой скважины части бурильной колонны и величиной гидравлического усилия, причем остальную часть необходимого осевого усилия на долото от бурильной колонны передают на осевую опору шпинделя через встроенный дополнительный корпус устройства и корпус шпинделя, а часть веса бурильной колонны передают на вал шпинделя через встроенные стальные пружины, работающие на сжатие, одна из которых размещена между верхней граненой частью торсионного вала и верхней траверсой, встроенной в дополнительный корпус устройства выше торсионного вала, а между нижней траверсой и буртиком (уступом) нижней части торсионного вала параллельно и-или последовательно между собой, при условии свободного протекания промывочной жидкости между торсионным валом и дополнительным корпусом устройства, в том числе и с наполнителем в жидкости, причем, часть пружин имеют опору непосредственно на торсионный вал, а при формировании компоновки бурильной колонны длину стальной бурильной части 1СЖ определяют по формуле
