Определение параметров крутильных колебаний бурильного вала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.14, кандидат технических наук Маковский, Павел Александрович

• Маковский, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маковский, Павел Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Поведение бурильной колонны - функция параметров режима бурения и характеристики системы «бурильный вал - ствол скважины»

1.1. Обзор и анализ представлений об особенностях движения бурильного вала в скважине

1.1.1. Влияние задаваемой частоты вращения бурильной колонны на вид движения произвольного сечения

1.1.2. Влияние осевой нагрузки, сил трения, кривизны труб, несоосности соединений и радиального зазора на характер движения

бурильной колонны

1.2. Изучение колебаний бурильной колонны как самостоятельного

вида движения

1.3. Анализ энергетических затрат на вращение бурильного вала -косвенной характеристики видов движения

1.4. Постановка задач исследований

Глава 2. Методика исследований

2.1. Теоретическое исследование некоторых задач кинематики вращающейся бурильной колонны

2.2. Определение параметров крутильных колебаний вращающегося гибкого криволинейного вала на макете при идеализированной форме движения -Фз

2.3. Экспериментальное исследование частоты (X) и амплитуды (А) крутильных колебаний по данным скоростной киносъемки

2.4. Исследования величин (Я,А), характеризующих колебания угловой скорости бурильной колонны на горизонтальном стенде

Глава 3. Примеры практического применения полученных параметров крутильных колебаний в расчетах затрат мощности и прочности бурильной колонны

3.1. Силы сопротивления движению бурильного вала. Крутящий момент. Затраты мощности на процесс вращательного бурения

3.2. Метод подхода к установлению рациональных геометрических параметров системы «бурильный вал - ствол скважины» при переменных изгибных и касательных напряжениях

Заключение

Библиографический список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение параметров крутильных колебаний бурильного вала»

ВВЕДЕНИЕ.

Известно, что эффективность процесса бурения во многом зависит от динамических процессов, возникающих в системе «бурильный вал - ствол скважины». Эти процессы (продольные, поперечные и крутильные колебания) отрицательно влияют на процесс бурения: резко увеличиваются затраты мощности на вращение самой колонны, увеличивается вероятность поломок бурильного вала и породоразрушающего инструмента, падает механическая скорость, снижается выход керна, и т.д.

До настоящего времени в научно - технической литературе нет достаточного анализа зависимости мощности, потребляемой в процессе бурения от частоты вращения бурильного вала. Зависимости, приводимые в литературе, имеют эмпирический характер, во многом противоречивый, так как не учитывают многих факторов, имеющих место в период бурения скважины. В частности, недостаточно изучены параметры динамических режимов: - частота (А,) и амплитуды (А) крутильных колебаний.

Целью работы является изучение возможных идеализированных форм движения бурильной колонны в скважине для установления влияния относительной, переносной угловых скоростей на параметры крутильных колебаний - частоту (к) и амплитуду (А). Установление аналитической зависимости динамической составляющей затрат мощности на вращение бурильного вала с учетом указанных параметров. Поиск условий для обеспечения надежности колонны при ее эксплуатации.

В период работы над диссертацией было изучено более70 научно -исследовательских работ, список которых прилагается; изучены и учтены данные по бурению более чем 40 скважин в различных регионах России; проведены более 20

стендовых и лабораторных исследований. Основные результаты работы изложены в четырех опубликованных статьях, и трех докладах на научных конференциях.

В диссертационной работе широко использованы математические методы дифференциального исчисления и прикладной механики, в частности для расчета собственной частоты крутильных колебаний и поиска оптимальных размеров радиальных зазоров (использована третья теория прочности).

Работа состоит из введения, трех глав и заключения.

В главе 1 проводится анализ известных работ по исследованию характера работы бурильного вала, колебательных процессов и затрат мощности. На базе анализа литературного материала конкретизируются задачи исследований.

В главе 2 обосновывается методика исследований и проводится теоретическое обоснование решения некоторых задач, связанных с определением частоты (X) и амплитуды (А) крутильных колебаний, которые зависят от динамики бурильной колонны. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В главе 3 представлены примеры практического использования исследуемых параметров крутильных колебаний в расчетах затрат мощности и прочности бурильного вала. В заключении приведены общие выводы и предложения о развитии научно-исследовательских работ в этой области.

Работа выполнена на кафедре «Разведочного бурения» Московской геологоразведочной академии. Диссертационная работа изложена на 165 машинописных листах, иллюстрирована 34 рисунками и 16 таблицами.

Автор искренне благодарен научному руководителю д.т.н., профессору Калинину А.Г., консультанту к.т.н., профессору Зиненко В.П., а также сотрудникам кафедры разведочного бурения Ганджумяну P.A., Пенкевичу C.B., Хромину Е.Д., Куликову В.В., Радину А.И., Тунгусову A.A., Назарову А.П., оказавшим поддержку и практическую помощь при выполнении диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Маковский, Павел Александрович

Выводы по главе.

1. Усилие прижатия бурильной колонны, вызванное несовершенством системы «бурильный вал - ствол скважины», имеет нелинейную зависимость от глубины скважины - уменьшается с глубиной. Причем, с уменьшением радиального зазора усилие прижатия будет возростать, соответственно растет и статический крутящий момент.

2. Динамический момент сопротивления определяется массой колеблющегося участка (инерционные силы), и ускорением, зависящим от частоты (X) и амплитуды (А) крутильных колебаний. Проще - М^ , а также Ыоин будет падать с увеличением радиального зазора.

3. Устойчивость колебательного процесса и, соответственно, уровня мощности ^дии.< определяется сочетанием характеристики бурильной колонны ( Ы0, 03р, щ и £уч ) и параметров режима бурения (Рос.; со и т.д.).

4. Крутильные колебания, которые сопровождают движение Фз, вызывают значительные знакопеременные касательные напряжения, что влечет за собой, по всей видимости, усталостное разрушение бурильного вала. Поэтому есть необходимость проведения исследований для определения [гч] элементов бурильных труб.

5. Из условия прочности, оптимальное значение отношения находится в пределах 0.8 -г 0.75, причем следует увеличивать радиальный зазор с ростом частоты вращения.

Заключение.

При выполнении диссертационной работы основное направление исследований было связано с изучением параметров крутильных колебаний частоты (X) и амплитуды (А), а также процессов характеризующих бурильный вал как автоколебательную фрикционную систему. Данная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследование и является попыткой расширения существующих представлений о затратах мощности на процесс бурения, возможных условных формах движения бурильного вала в скважине и механизмах колебательных явлений.

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований работы бурильного вала в условиях идеализированных форм движения в скважине представлены следующие основные положения:

1. Дано аналитическое описание идеализированных форм движения бурильного вала в скважине.

2. Установлено, что движение Фз возможно в результате возникновения значительных сопротивлений на контакте участка вала со стенками скважины и является источником интенсивных изгибных и крутильных колебаний.

3. Частота и амплитуда крутильных колебаний при Фз определяется геометрической характеристикой системы «бурильный вал - ствол скважины». Причем частота крутильных колебаний соответствует изгибным и согласуется (измеряется) р относительной угловой скоростью Л = созад — (стр.93); амплитуда определяется А я-А-г . . переносной угловой скоростью и равна: А =-— (стр.94).

2Я

4. Очаг возникновения крутильных колебаний связан по длине с небольшим участком вала, который задает и поддерживает их по всей ниже расположенной части колонны. Местонахождение участка, возможно, приходится на околонулевую и растянутую зону, или участок скважины с большой кривизной.

5. Установлена аналитическая зависимость динамической составляющей затрат мощности от частоты вращения снаряда с параметров крутильных колебаний, которая дает близкую сходимость с опытными (экспериментальными) значениями.

6. С уменьшением радиального зазора возрастают переменные касательные напряжения, влияющие на усталостную прочность и снижающие надежность эксплуатации бурильного вала.

7. Увеличение радиального зазора приводит к снижению динамической составляющей крутящего момента и затрат мощности.

8. Предлагаемая методика определения оптимального радиального зазора (из условия прочности при совместном действии Переменных изгибных и касательных напряжений) дает основание поставить вопрос на необходимость разработки более обоснованных рекомендаций (в отличии от существующих) по установлению оптимального соотношения .

9. Результаты данной работы можно применить для описания более сложных реальных видов движения бурильного вала в скважине, кроме того можно принимать в расчет геометрическую характеристику системы «бурильный вал -ствол скважины» при выборе параметров режима бурения, чтобы исключить резонансные явления.

Сформулируем возможные пути продолжения исследуемой темы, формы и методы ее дальнейшего изучения, а также конкретные задачи, которые целесообразно решать в последующих исследованиях бурильного вала:

1. Следует более детально проработать влияние частоты и амплитуды крутильных колебаний на передачу задаваемых параметров режима бурения на забой.

2. Исследовать влияние радиального зазора на эффективность разрушения горной породы на забое (на работу ПРИ).

3. Дать методику установления длины возмущающего участка вала и его местонахождение с целью установления возможности управления колебательными процессами.

4. Провести экспериментальные измерения предельных допустимых амплитудных касательных напряжений на усталостную прочность для сортамента бурильных труб и их соединений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маковский, Павел Александрович, 1999 год

Библиографический список использованной литературы.

1.Аладинская Г.К. Некоторые особенности работы бурильной колонны в горизонтальной скважине. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1975г. № 10, с. 137-143.

2. Аладинская Г. К. Экспериментальные исследования некоторых вопросов работы бурильной колонны: Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М., 1976г. - с. 18.

3. Аладинская Г.К., Боголюбский К.А., Зиненко В.П. и др. О кинематике бурильной колонны, определяющей ее энергетическую характеристику. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1976г., № 7, с. 92-99.

4. Александров М.М. О характере вращения бурильной колонны. - Изд. ВУЗов. Нефть и газ. 1968г.

5. Алексеев В.Н. Влияние начальной кривизны бурильных труб на работу бурильной колонны. - В. сб.: Методика и техника разведки. -Л. ОНТИ ВИТР, 1976г. № 102, с.25-31.

6. Алексеев В.Н. Исследование устойчивости движения бурильной колонны на стенде. - В. сб.: Методика и техника разведки. - Л. ОНТИ ВИТР, 1979г. № 131, с. 17-23.

7. Алексеев В.Н. О жидкостном трении в системе «бурильная колонна - скважина». -В. сб.: Методика и техника разведки. - Л. ОНТИ ВИТР, 1975г. № 97, с. 14-18.

8. Алексеев В.Н. О качении упругого вала в вертикальной трубе. - В. сб.: Методика и техника разведки. - Л. ОНТИ ВИТР, 1970г. № 71, с.41-46.

9. Алексеев В.Н. О спиральной форме бурильной колонны. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1973г.

10. Алексеев В.Н. О стационарных видах движения бурильной колонны. - В. сб.: Методика и техника разведки. - Л. ОНТИ ВИТР, 1976г. №107, с.96-103.

П.Алексеев В.Н. Спиральный изгиб бурильной колонны в скважине. - Разведка и охрана недр. 1973г. № 10.

12. Алексеев В.Н., Соловьев Л.В., Игнатов В.Ф. О вращении упругого вала в цилиндре с вязкой жидкостью. - В. сб.: Методика и техника разведки. - Л. ОНТИ ВИТР, 1981г., № 138, с. 19-23.

13. Бабаков И.М. Теория колебаний. Москва 1968.

14. Балицкий П.В. Исследование на механической модели устойчивости колонны бурильных труб. - Сб. нефтяного машиностроения № 3. Гостоптехиздат. 1958г.

15. Бекух И.И., Ибатулов К.А., Симонянц Л.Е. Об устойчивости колонны бурильных труб при роторном и турбинном бурении. - Изв. ВУЗов. Нефть и газ. 1969г. № 8.

16. Биценко К.Б., Граммель Р. Техническая динамика. Том 2. Москва 1952 Ленинград.

17. Бобылев Ф.А., Страбыкин И.Н. Изгибные колебания бурильной колонны. - Геология и разведка. 1970г., № 8.

18. Бобылев Ф.А., Страбыкин И.Н. Характер движения бурильной колонны при вращении. - Разведка и охрана недр. 1971г. № 7, с.24-26.

19. Бобылев Ф.А., Страбыкин И.Н., Серебрянников И.Д. Изучение движения бурильной колонны при передаче крутящего момента на механической модели. - В. сб.: Техника и технология разведочного бурения. Алма-Ата. КазИМС. 1976г. Выпуск 3, с.35-42.

20. Боголюбский К.А., Зиненко В.П., Пенкевич С.В. О xapaicrepe вращения бурильной колонны при малых зазорах между трубами и стенками скважины. - Геология и разведка. 1971г. №8.

21. Блинов Г.А., Буркин Л.Г., Володин O.A. и др. Техника и технология высокоскоростного бурения. - М. «Недра», 1982г. 408с.

22. Вареца А.И. Исследование энергетической характеристики бурильной колонны. Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М. 1978г., с.25.

23. Владиславлев B.C. Разрушение горных пород при бурении скважин. - Гостоптех-издат. 1958г.

24. Власенко Н.В. Продольные и крутильные колебания в колонне бурильных труб. -Науч. сб. ИМА АН УССР, вып. 1, 1953г.

25. Воздвиженский Б.И., Васильев М.Г. Буровая механика. - М. 1954г.

26. Воздвиженский Б.И., Воробьев Г.А., Зиненко В.П. Влияние режима работы бурильной колонны на сохранность керна. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1982г.№ 3., с. 170-171.

27. Воздвиженский Б.И., Воробьев Г.А., Зиненко В.П., Новожилов Б.А., Вареца А.И. Влияние работы бурильной колонны на показатели процесса бурения. Техника и технология геологоразведочных работ; организация работ. - М. 1982г.

28. Воздвиженский Б.И., Воробьев Г.А., Горшков Л.К. Повышение эффективности колонкового алмазного бурения. - М. «Недра» 1990г.

29. Воздвиженский Б.И., Голубинцев О.Н., Новожилов A.A. Разведочное бурение. -М. Недра. 1979г.

30. Воробьев Г.А. Оптимизация работы сжатой зоны бурильной колонны. - Кандидатская диссертация. М. 1984г.

31. Воробьев Г.А., Лебедев A.C., Новожилов Б.А. Исследование поведения бурильной колонны с помощью скоростной киносъемки. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1983г. № 6.

32. Воробьев Г.А., Новожилов Б.А. Экспериментальные исследования влияния осевой нагрузки на вид движения бурильной колонны. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1985г. № 11.

33. Воробьев Г.А., Новожилов Б.А., Вареца С.А. Режимы работы алмазной коронки и их исследование с помощью скоростной киносъемки. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1988г. № 9.

34. Вудс Г., Лубинский А. Искривление скважин при бурении. - М. Гостопттехиздат. 1960г., с. 151.

35. Горохов H.A., Хромин Е.Д. Особенности кинематических и силовых параметров работы алмазных коронок на забое скважины. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1981г., № 9.

36. Горохов Н.В. Исследование характера работы бурового инструмента в стесненных условиях (скважины малого диаметра). Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. - М. 1978г.

37. Зиненко В.П., Боголюбский К.А., Пенкевич С.В., Кирсанов А.Н., Аладинская Г.К. Характер работы предварительно деформированной колонны бурильных труб. - Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1973г. № 2, с.72-74.

38. Зиненко В.П., Кирсанов А.Н. Экспериментальные измерения мощности, затрачиваемой при колонковом бурении разведочных скважин. - М. Госгеолтехиздат. 1961г.

39. Зиненко В.П., Новожилов Б.А. Современные колонны бурильных труб и анализ их работы. - М. ВИЭМС. 1979г., с.62.

40. Кардыш В.Г., Окмянский A.C. Новые данные о затратах мощности при высокооборотном алмазном бурении. - Экспресс-информация. Серия: Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства. 1975г., выпуск 12, с. 1-24.

41. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. - М. Недра. 1981г.

42. Копылов В. Е., Чистяков Ю.А., Мухин Э.П. Вибрации при алмазном бурении. - М. Наука. 1967г.

43. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. М. «Недра». 1979г.

44. Мацейчик В.И. К вопросу вращения бурильной колонны. - Изв. ВУЗов. Серия: Нефть и газ. 1970г.

45. Мацейчик В.И. О характере вращения колонны бурильных труб. - Изв. ВУЗов. Серия: Нефть и газ. 1970г., № 12, с.39-41.

46. Новожилов Б.А. Исследование влияния работы бурильной колонны на показатели процесса бурения. - Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М. 1981г., с. 13.

47. Окмянский A.C., Кардыш В.Г., Сазонов И.М. Условия работы колонны бурильных труб при высоких числах оборотов. - Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства. Выпуск 5. М. Изд, ОНТИ ВИЭМС. 1972г., с.1-25.

48. Пановко В.Г. Введение в теорию механических колебаний. - М. Наука. 1971г.

49. Пановко В.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. - М. 1990г.

50. Пановко В.Г., Губанова И.Н. Устойчивость и колебания упругих систем. - М. Наука. 1967г.

51. Ребрик Б.М. Практическая механика в разведочном бурении. - М. Недра. 1982г., с.319.

52. Ребрик Б.М. Механика в разведочном бурении. - М. «Недра» 1992г.

53. Савченко В.П. Исследование вибраций бурильных труб и породоразрушающего инструмента при бурении геологоразведочных скважин и разработки виброгасящих средств. - Кандидатская диссертация. Л. 1975г.

54. Саркисов Г.М. Расчет бурильных и обсадных колон. М, Недра. 1979г.

55. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. - М. Недра. 1979г..

56. Сароян А.Е. Основы расчета бурильных колон. - М. Гостоптгехиздат. 1961г.

57. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. - М. Недра. 1990г.

58. Симкин В.Я. Определение динамических нагрузок при автоколебаниях бурильной колонны. Сборник: Машины и нефтяное оборудование. 1968г., № 10.

59. Симонов В.В., Юнин Е.К. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. - М. «Недра». 1977г.

60. Симонянц Л.Е. Разрушение горных пород и рациональная характеристика двигателей для бурения. - М. Недра. 1966г., с.40, с.228.

61. Симонянц Л.Е. Собственные колебания бурового инструмента. - Баку. Нефть и газ. 1959г., № 11.

62. Султанов Б.З. Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны. - М. Недра. 1991г.

63. Султанов Б.З., Ишемгутин Е.И., Сорокин В.Н. Работа бурильной колонны в скважине. - М. Недра. 1973г.

64. Хамзин М.Х., Кагармонов Н.Ф. О механизме взаимодействия единичного алмаза с породой в процессе ее разрушения. - Уфа. Доклад. 1973г.

65. Хромин Е.Д. Экспериментально-технические исследования режимных параметров на забое с целью оптимизации процесса бурения. - М. Кандидатская диссертация. 1975г.

66. Шевченко И.Е., Пахомов И.Н. Расход мощности при высокоскоростном алмазном бурении скважин. - Разведка и охрана недр. №4. 1968г.

67. Шолохов И.Е., Фоминых Е.Г. Об изменении величины коэффициента сопротивления движению алмазной коронки по породе. - Техника и технология бурения. Выпуск № 104. 1974г.

68. Эпштейн Е.Ф., Мацейчик В.И., Ивахнин И.И., Асатурян А.Ш. Расчет бурильных труб в геологоразведочном бурении. - М. Недра. 1979г.

69. Юнин Е.К. Низкочастотные колебания бурильного инструмента. - М. Недра. 1983г.

70. Rapold К. Измерение вибрации инструмента позволяет стабилизировать его работу. - Журнал Oil and Gas. 1993г.

71. Rapold К. Оптимизация бурения по данным контроля вибрации бурильной колонны. - Журнал Oil and Gas. 1993г.

72. Stodola A., Dampt- und Gasturbinen, §191, 1924г.