Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
2. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В ИСКРИВЛЕННОЙ СКВАЖНЕ 46
2.1. Основные положения и допущения, принимаемые при составлении математической модели бурильной колонны в искривленной скважине 46
2.2. Вывод основных уравнений состояния бурильной колонны 53
2.3. Частные случаи уравнений состояния бурильной колонны 63
Выводы 65
3. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ (КВАЗИСТАТИЧЕСКОМ) РЕЖИМЕ БУРЕНИЯ 66
3.1. Основные уравнения, описывающие состояние бурильной колонны в искривленной скважине при установившемся режиме бурения 66
3.2. Постановка и решение задачи по изучению состояния бурильной колонны в искривленной скважине 72
3.3. Осевая нагрузка на долото, и момент потребный на вращение колонны при наклонно-направленном бурении 78
3.3.1. Нагруженность колонны при бурении скважины по первому профилю 80
3.3.2. Нагруженность колонны при бурении скважины по второму профилю 86
3.3.3. Нагруженность колонны при бурении скважины по третьему профилю
Нагруженность колонны при бурении скважины по четвертому
профилю ЮЗ
Нагруженность колонны при бурении скважины по пятому профилю ПО
Осевая нагрузка на долото при не вращающейся бурильной колон
не (бурение скважины с применением забойных двигателей) 120
Выводы 124
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ УСТОЙЧИВОСТИ ВРАЩЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В ПРОЦЕССЕ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ 125
О проблеме устойчивости вращения бурильной колонны в процессе разрушения горной породы 126
Задача о вращении бурильной колонны в скважине криволинейного профиля 131
Разбиение области управления режимными параметрами на раз личные зоны поведения бурильного инструмента 153
Условие развития крутильных автоколебаний бурильной колонны, состоящей из двух разнородных участков 164
Граница области долговременной остановки бурильного инструмента в случае двухразмерной компоновки бурильной колонны 186
Разбиение области управления режимными параметрами на различные зоны поведения составной бурильной колонны 188
Влияние крутильных автоколебаний на механическую скорость бурения 206
Выводы 217
ДИНАМИКА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В УСЛОВИЯХ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ 218
Условие возникновения продольных колебаний в однородной бурильной колонне 218
Оценка области возникновения продольного резонанса в неоднородной (составной) бурильной колонне 226
5.3. Поведение бурильной колонны на горизонтальном участке скважины в свете проблемы передачи осевой нагрузки на долото 237
Выводы 247
6. О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ ДИНАМИКИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ 248
6.1. Проблема предотвращения низкочастотных продольных колебаний посредством специальной компоновки бурильной колонны 248
6.2. Проблемы исследования волновых процессов внутри области продольного резонанса методом механического аналога 261
Выводы 275
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 277
ЛИТЕРАТУРА 280
ПРИЛОЖЕНИЯ 301
П.І. Анализ математической модели вращательного движения бурильной колонны методом Лемерея 302
П.2. Определение зоны продольного резонанса бурильной колонны, состоящей из разнородных участков
Введение к работе
Для обеспечения растущей потребности и прироста добычи запасов нефти и газа необходимо постоянное наращивание объемов буровых работ. Для этого следует направить усилия как на освоение новых нефтяных и газовых месторождений, так и на интенсификацию разработки эксплуатируемых месторождений, повышение нефтеотдачи пластов. При этом в буровой практике прослеживается тенденция расширения доли глубокого и наклонно-направленного бурения. В этой связи исследования процесса бурения глубоких и наклонно-направленных скважин приобретают большое теоретическое и практическое значение.
Бурение нефтяных и газовых скважин является весьма дорогостоящим процессом. При этом углубление забоя скважины представляет собой одну из основных составляющих этого процесса. Повышение эффективности процесса бурения глубоких и наклонно-направленных скважин в условиях, когда исследователь не имеет непосредственного доступа к забою, во многом определяется широтой и глубиной теоретических и экспериментальных исследований.
При глубоком бурении между долотом, разрушающим горную породу на забое, и источником энергии, расположенным на дневной поверхности, имеется бурильная колонна большой протяженности при малом её поперечном сечении, что во многом определяет динамику работы долота [17, 27, 82, 192]. И хотя опыт бурения достаточно велик и исчисляется многими десятилетиями и миллионами метров пробуренных скважин, вопросы, связанные с влиянием бурильной колонны на эффективность разрушения горных пород, стали привлекать внимание инженеров и ученых сравнительно недавно. Основной причиной обращения к этим вопросам послужило частое несоответствие оптимальных параметров режимов бурения, получаемых из математических моделей для целей оптимизации процесса проводки скважин, реальному положению вещей, поскольку в эти модели вводятся эмпирические зависимости, определяемые на лабораторных установках.
При разработке методов прогнозирования эффективности работы породоразрушающего инструмента на забое скважины и выбора оптимальных режимов бурения, как правило, используются эмпирические зависимости, связывающие показатели отработки долот с режимными параметрами, но которые не учитывают механические свойства бурильной колонны. Подобный подход породил немалое количество зависимостей, довольно часто не согласующихся друг с другом. Примеры противоречивости зависимостей, предложенных разными авторами, можно привести в довольно большом количестве. Отмеченные факты, при прочих равных условиях, имеют место, поскольку не учитывается взаимное влияние долота и колонны друг на друга при разрушении породы на забое. Рассмотрение процесса работы породоразрушающего инструмента в отрыве от бурильной колонны может привести к ложной трактовке результатов исследований закономерностей процесса бурения нефтяных и газовых скважин со всеми вытекающими последствиями для теории и практики этой области техники. Кроме того, весьма важной проблемой является определение ограничений, которые необходимо налагать на области применения зависимостей, используемых для целей прогноза эффективности разрушения горных пород и оптимизации режимов бурения, что будет способствовать наиболее эффективному применению этих зависимостей.
При разрушении горных пород шарошечными долотами в бурильной колонне возникают колебания, которые в самом общем случае можно разделить на два вида — высокочастотные и низкочастотные [131,141,181,192 и др.]. Высокочастотные колебания органически присущи вращательному способу бурения, поскольку разрушение породы происходит путем периодического воздействия на нее зубцов долота. Низкочастотные колебания имеют гораздо более сложную природу возникновения [181, 192 и др.]. Многочисленными промысловыми наблюдениями установлено весьма негативное влияние низкочастотных колебаний как на долговечность бурильного инструмента, так и на эффективность разрушения горных пород.
Это обстоятельство явилось причиной появления различного рода наддолотных амортизаторов. Однако такие устройства, являясь узкополосными механическими фильтрами, не в состоянии эффективно гасить колебания с широким спектром частот, возбуждаемых в бурильной колонне, которая представляет собой механическую систему с распределенными параметрами. Амортизаторы изменяют амплитудно-частотную характеристику бурильной колонны, при этом происходит сдвиг резонансных зон, но не ликвидируют полностью условия возникновения низкочастотных колебаний. И как показывает опыт, применение амортизаторов не всегда является эффективным, а в ряде случаев-даже вредным [8, 45, 51,54, 66, 73, 88, ПО, 111, 131, 176, 177, 180, 185, 198, 201, 202]. Также следует отметить, что пока еще применяемые виброзащитные средства при их высокой стоимости не обладают столь же высокой надежностью и долговечностью.
В то же самое время, если соответствующим образом подобрать сочетания режимных параметров (скорость вращения инструмента — осевая нагрузка на долото), то бурильная колонна, помимо своего основного назначения, возлагает на себя и роль амортизатора, а потому можно обойтись и без специальных гасителей колебаний.
Актуальность вышеобозначенных проблем особенно возрастает в связи с увеличением объемов бурения в труднодоступных районах страны в условиях ограниченного количества трудовых и материальных ресурсов. В этих условиях наиболее эффективным и доступным средством для дальнейшего снижения стоимости буровых работ и повышения производительности труда при бурении является освоение теории и практики управления работой бурильной колонны при проводке глубоких вертикальных и наклонно-направленных скважин.
Похожие диссертации на Управление динамикой бурильной колонны в направленных скважинах
