Совершенствование наддолотного гидроударника для роторного способа бурения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Сулейманов, Рустэм Исхакович

• Сулейманов, Рустэм Исхакович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сулейманов, Рустэм Исхакович

ВВЕДЕНИЕ 4 1 ОБЗОР РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ ПО ДИНАМИКЕ

НИЗА БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

1.1 Источники возбуждения колебаний

1.2 Влияние колебаний на показатели бурения глубоких скважин

1.3 Конструкции гидроударников и вибраторов, нашедших применение в бурении скважин

1.4 Постановка задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГИДРОУДАРНИКА ДЛЯ

БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН

2.1 Необходимость разработки гидроударника

2.2 Конструктивная схема и описание надцолотного гидроударника

2.3 Динамика работы надцолотного гидроударника

2.4 Выводы по второй главе

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ НАДДОЛОТНОГО ГИДРОУДАРНИКА

3.1 Разработка стенда для исследования работы гидроударника

3.2 Оснащение стенда измерительными приборами

3.3 Тарирование измерительных устройств лабораторного стенда

3.4 Оценка погрешностей измерений

3.5 Испытание гидроударника и определение основных параметров гидроударника диаметром 114 мм

3.6 Выводы по третьей главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО ГИДРОУДАРНИКОМ

4.1 Основные положения и допущения, принятые при составлении математической модели

4.2 Математическое моделирование работы бурильного инструмента, оснащенного наддолотным гидроударником

4.2.1 Разработка и составление математической модели

4.2.2 Решение математической модели

4.2.3 Результаты математического моделирования

4.3 Выводы по четвертой главе

5 ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГИДРОУДАРНИКА

5.1 Условия проведения промысловых испытаний

5.2 Влияние гидроударника на механическую скорость роторного бурения 89 Выводы по пятой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование наддолотного гидроударника для роторного способа бурения»

На современном этапе развития нефтяной и газовой промышленности бурение горизонтальных и наклонно-направленных скважин позволяет вскрывать ранее не доступные нефтяные горизонты, способствуя увеличению объема добычи нефти при эксплуатации скважин.

При бурении таких скважин роторным способом механические скорости имеют низкие показатели, это связано с тем, что вращение бурильной колонны обусловлено низкими оборотами и на забое не создается, достаточной динамической нагрузки, способствующей разрушению горной породы.

Создание динамической нагрузки на забой с целью увеличения объемного разрушения горной породы, способствующего повышению механической скорости, обеспечивается применением ударно-вращательного способа бурения.

Ударное воздействие на забой при таком способе бурения реализуется с помощью гидроударных механизмов, устанавливаемых над породоразрушающим инструментом.

Гидроударные механизмы, применяемые ранее при бурении скважин, недостаточно эффективны, поэтому необходимо разрабатывать новые устройства.

Создание и совершенствование гидроударников для бурения скважин, их исследование и оптимизация основных параметров, как конструктивных, так и параметров; режима бурения, позволяет повысить механическую скорость бурения скважин при роторном способе.

Цель диссертационной работы - повышение механической скорости при бурении скважин роторным способом:

Основные задачи исследования

1 Аналитическое исследование работы гидроударника и определение основных факторов, влияющих на динамическую нагрузку гидроударника.

2 Разработка гидроударника с более эффективным динамическим воздействием на долото при бурении скважин, обеспечивающего одновременную реализацию гидравлического и механического воздействия на забой скважины.

3 Разработка лабораторного стенда и исследование работы гидроударника на стенде для определения работоспособности и уточнения оптимальных параметров рабочих элементов.

4 Составление и исследование математической модели работы бурильного инструмента, оснащенного гидроударником.

5 Промысловые испытания усовершенствованной конструкции гидроударника при бурении скважин и оценка его влияния на, механическую скорость роторного способа бурения.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель наддолотного гидроударника, в котором управление движением бойка осуществляется перекидным клапаном, обоснованная путем проведения лабораторных исследований на стенде. Установлено влияние конструктивных" параметров гидроударника на создаваемую динамическую нагрузку.

2 Получено аналитическое решение задачи о продольных колебаниях однородной бурильной-колонны в вертикальной скважине с установленным гидроударником над долотом. Определена величина динамической нагрузки на забой в зависимости от основных параметров, характеризующих механические свойства забоя, гидроударника и бурильной колонны.

3 Предложен метод создания гидроударников с использованием перекидного клапана.

Практическая ценность

1 Разработана^ конструкция гидроударника, возбуждение динамических ударов на долото в которой осуществляется за счет действия гидравлических ударов перекидного клапана на подпружиненную массу; конструкция защищена патентом РФ №2167255.

2 Стендовыми испытаниями определены основные параметры гидроударника диаметром 114 мм для бурения вертикальных и горизонтальных скважин роторным способом.

3 При бурении скважин малого диаметра роторным способом с применением наддолотного гидроударника механическая скорость бурения увеличилась на 25,5.48 %.

Основные защищаемые положения

1 Конструкция наддолотного .гидроударника, предназначенного для бурения глубоких скважин.

2 Установленные зависимости импульсов удара и динамической нагрузки наддолотного гидроударника от его конструктивных параметров и расхода жидкости.

3 Результаты исследования математической модели работы бурильного инструмента, оснащенного надцолотным гидроударником.

4 Расчетная формула для определения динамической нагрузки на долото, создаваемой надцолотным гидроударником в процессе бурения скважины.

5 Результаты стендовых и промысловых испытаний гидроударника диаметром 114 мм.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались:

-на 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 1997 г.);

-49-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию УГНТУ (г. Уфа, 1998 г.);

-Республиканской научно-практической конференции "Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых" (г. Октябрьский, 1999 г.);

-научно-технической конференции "Научные проблемы ЗападноСибирского региона: гуманитарные, естественные и технические аспекты" (г.Тюмень, 1999 г.);

-2-м Международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (г. Уфа, 2000 г.);

-5-й межвузовской научно-методической конференции "Проблемы нефтедобычи Волго-Уральского региона" (г. Октябрьский, 2000 г.);

-практическом семинаре "Опыт, проблемы и перспективы внедрения методов виброакустического контроля и диагностики машин и агрегатов" (г.Октябрьский, 2001г.);

-межрегиональной молодежной научной конференции "Севергеоэкотех-2001" (г. Ухта, 2001 г.);

- на Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы Волго-Уральской нефтегазоносной провинции" (г. Уфа, 2001г.);

-VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении-2003» (г.Пенза, 2003 г.).

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 22 печатных работах, в том числе отражены в одном патенте.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 106 наименований; содержит 102 страницы машинописного текста, в том числе 22 рисунка, 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Сулейманов, Рустэм Исхакович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Проведены аналитические исследования математической модели работы системы «долото-гидроударник-бурильная колонна», получена зависимость динамической нагрузки на забой от свойств бурильной колонны, гидроударника и забоя.

2 На основе проведенных исследований теоретически обоснована работа гидроударника для бурения скважин, установлены зависимости динамических параметров гидроударника от его конструктивных параметров и расхода промывочной жидкости.

3 Проведенные экспериментальные исследования позволили определить оптимальные параметры рабочих элементов гидроударника диаметром 114 мм: масса 15 кг, жесткость пружины 30000 Н/м. Для данного типоразмера гидроударника при расходе жидкости 0,012 м3/с средняя величина динамической нагрузки составляет 12,4 кН, а при расходе жидкости 0,017 м3/с составляет 18,3 кН.

4 Создана конструкция гидроударника, в котором возбуждение динамических ударов на долото осуществляется за счет действия ударов бойка, управляемого перекидным клапаном (пат.2167255 РФ).

5 При бурении скважин малого диаметра роторным способом с применением наддолотного гидроударника механическая скорость бурения увеличивается на 25,5. .48 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сулейманов, Рустэм Исхакович, 2004 год

1. Абдрахманов Г.С. Контроль технологических процессов в бурении. М.: Недра, 1974.-375 с.

2. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969; - 199 с.

3. Александров М.М. Определение сил сопротивления при бурении скважин. М.: Недра, 1965. — 176 с.

4. Александров М.М. Силы сопротивления при движении труб в скважине. -М.: Недра, 1978.-208 с.

5. Алексеев Д.А., Гельфгат A.M., Кривенко М;Г. Вибраторы для геологоразведочного бурения. М.: Госгеолтехиздат, 1958. - 117 с.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1982.- 221 с.

7. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. — М.: Наука, 1961. -568 с.

8. Артоболевский И.И. Теория механизмов. М.: Гостоптехиздат, 1966. -775 с.

9. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Недра, 1968. - 559 с.

10. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. — М.: Наука, 1973. 352 с.

11. Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. -М.: Недра, 1975. 294 с.

12. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1965. — 856 с.

13. Беликов В.Г., Федоров B.C., Посташ С.А. Обобщение и распространение передового опыта в бурении. — М.: Недра, 1969. 206 с.

14. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

15. Бикчурин Т.Н., Козлов Ф.А. Совершенствование режимов бурения долотами. М.: Недра, 1968. —115 с.

16. Бикчурин Т.Н., Козлов Ф.А., Габдуллин P.C. Технический прогресс в строительстве скважин. — Казань: Тат. кн. изд-во, 1982. — 100 с.

17. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972. -648 с.

18. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем. — М.: Гостоптехиздат, 1956. — 600 с.

19. Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика. Общий курс: Учебник для вузов. — Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. 215 с.

20. Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В. Гидравлические вибраторы. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1979. - 144 с.

21. Васильев Ю.С., Никитин Ю.Ю. Регулирование динамической нагрузки на долото // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. Бурение. 1974. -№ 9. - С.12-13.

22. Вибрации в технике: Справочник. — М:: Машиностроение, 1982.

23. Владиславлев B.C. Разрушение пород при бурении скважин. М.: Гостоптехиздат, 1958. — 159 с.

24. Волков A.C. Буровой геологоразведочный инструмент. М.: Недра, 1979. -286 с.

25. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М;: Наука, 1964. —596 с.

26. Ворожбитов М.И. Анализ взаимодействия долота с забоем скважин по данным записи» вибрации // Нефтяное хозяйство. 1972. - № 4. -С. 29- 33.

27. Воскресенский Ф.Ф. Буровые клапанные машины ударного действия. -М.: Гостоптехиздат, 1963. —85. с.

28. Воскресенский Ф.Ф., Кичигин A.B., Славский В.М. и др. Вибрационное и ударно-вращательное бурение. М.: Гостоптехиздат, 1961. - 244 с.

29. Вульфсон И.И. Колебания машин с механизмами циклового действия. -Mi: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1990: — 309 с.

30. Габдрахимов М.С. Исследование влияния крутильных колебаний- на работу бурильного инструмента при турбинном бурении: Дис. . канд. техн. наук. Уфа: УНИ, 1979.-151 с.

31. Габдрахимов М.С., Султанов Б.З. Динамические гасители колебаний бурильного инструмента // Обзор, информ. Сер. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — М.: ВНИИОЭНГ, 1991. 60 с.

32. Гадиев С.М. Использование вибрации в добыче нефти. — М.: Недра, 1977. —159 с.

33. Гадиев С.М., Лазаревич И.С. Воздействие на призабойную зону нефтяных и газовых скважин. Mi: Недра, 1966. - 180 с.

34. Ганиев Р.Ф. Берега и, безбрежность волновых технологий // Наука в СССР.-1990.-№ 5

35. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гостоптехиздат, 1950. - 551 с.

36. Граф Л.Э., Коган Д.И. Гидроударные машины и инструмент,- М.: Недра, 1972.-208 с.

37. Грачев Ю.В., Варламов 3.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации.-М.: Недра, 1968. 231 с.

38. Девятко Л.И., Дудин В.Ф., Об оценке потерь энергии при ударе в процессе'разрушения горной породы // Изв. вузов. Сер. Нефть и газ. -1961.-№ 9.-С. 23-27.

39. Ефремов М.Г. Виброметод проходки геологоразведочных скважин. М.: Госстройиздат, 1958.

40. Залкин С.Л., Тагиев Э.И: Двухствольное бурение нефтяных и газовых скважин; -М.: Гостоптехиздат, 1954. 182 с.

41. Измерения в промышленности: Справочник / Под ред. П.Профоса; Пер. с нем. М.: Металлургия, 1980. - 648 с.

42. Ишемгужин Е.И. Теоретические основы надежности буровых нефтепромысловых машин. Уфа: Изд-во Уфим. нефт. ин-та, 1981. - 84 с.

43. Ишемгужин Е.И. Нелинейные колебания элементов буровых машин. -Уфа: Изд во Уфим. нефт. ин-та, 1988. - 99 с.

44. Калинин А.Г., Григорян H.A., Султанов Б.З. Бурение наклонных скважин: Справочник / Под ред. А.Г. Калинина. М.: Недра, 1990. -348 с.

45. Керимов З.Г. Динамические расчеты бурильной колонны. М.: Недра, 1990.- 160 с.

46. Кин Н. Тонг. Теория механических колебаний- М.: Машгиз, 1963. —352 с.

47. Кирия Т.А. Совершенствование проходки глубоких скважин. М.: Недра, 1971.- 168 с.

48. Киселев А.Г., Крусир И.Н. Вращательное ударное бурение геологоразведочных скважин. — М.: Недра, 1982.

49. Кичигин A.B., Назаров В.И., Тагиев Э.И. Ударно — вращательное бурение скважин. -М.: Недра, 1965. 168 с.

50. Кобринский А.Е., Кобринский A.A. Виброударные системы. М.: Наука, 1978.-592 с.

51. Копылов В.Е., Чистяков Ю.А., Мухин ЭЛ. Вибрации при алмазном бурении. -М.: Недра, 1967. 128 с.

52. Крагельский И;В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.- 480 с.

53. Красильников В;А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. — М^: Наука, 1984.-400 с.

54. Куликов И.В., Воронов В.И., Николаев И.И. Пневмоударное бурение разведочных скважин. М;: Недра, 1989. — 235 с.

55. Кумаде Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, 1985. — 424 с.

56. Кучумов Р.Я. Применение метода вибровоздействия в нефтедобыче. -Уфа: Башкнигоиздат, 1988. 112 с.

57. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. 2-е изд. - М.: Недра, 1977.-408 с.

58. Лебедев H. Ф. Динамика гидравлических забойных двигателей. М.: Недра, 1981.-251 с.

59. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении. — М.: Недра, 1987. 304 с.

60. Маковей Н. Гидравлика бурения / Пер. с румын,- М.: Недра, 1986. 536 с.

61. Мальченок В.О., Уткин И.А. Звуковые вибраторы для бурения. Л.: Недра. Ленингр. отделение, 1969. - 134 с.

62. Мельников В.И. Об ударном взаимодействии бурового инструмента и горной породы // Нефтяное хозяйство. 1972. - №9. - 9-10.

63. Мирзаджанзаде А.Х., Караев А.К., Ширинзаде С.А. Гидравлика в бурении и цементировании нефтяных и газовых скважин. — М. : Недра, 1977.-230 с.

64. Мирзаджанзаде А.Х., Керимов З.Г., Копейкис М.Г. Теория колебаний в нефтепромысловом деле. Баку: Азнешр, 1976. - 363 с.

65. Назмиев И.М., Андрейцев C.B., Горюнов A.B. Низкочастотное ударно -волновое воздействие — эффективный метод повышения нефтеотдачи пластов // Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений.-1996.-№5

66. Никитин H.H. Краткий курс теоретической механики для вузов. — М.: Наука, 1971.-399 с.

67. Пальянов П.Ф. Вибраторы в разведочном бурении. М.: Госгеолтехиздат, 1956. - 68 с.

68. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977. -224 е.

69. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара — Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1976. — 320 с.

70. Пискунов И.С. Дифференциальное и интегральное исчисление.-Т2.-М.: Недра, 1972. Т2. 576 с.

71. Петров А.И., Дробах В.Т. Техника измерения давления и расходов жидкости и газа. М.: ГТИИ, 1963.

72. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидации аварий в бурении. -М.: Недра, 1975.-92 с.

73. Райнхарт Д.С., Пирсон Д. Поведение металлов при импульсных нагрузках -М.: ИЛ,- 1968.-296 с.

74. Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин. М.: Недра, 1974. — 192 с.

75. Ребрик Б.М. Вибротехника в бурении. М.: Недра, 1966. - 232 с.

76. Санников Р.Х., Мавлютов М.Р. Вынужденные продольные колебания бурильного инструмента и динамическая нагрузка на долото. Изв. вузов. Сер. Нефть и газ. - 1972.- № 3. - С. 25 - 30.

77. Сароян А.Е. Трубы нефтяного сортамента. М.: Недра, 1976. - 504 с.

78. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колоны. М.: Недра, 1990. -263 с.

79. Симонов В.В., Юнин Е.К. Волновые процессы в бурильной колонне. — М., 1979. 113 с.

80. Симонов В.В., Юнин Е.К. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. — М.: Недра, 1977. 217 с.

81. Спивак А.И. Механика горных пород: — М.: Недра, 1967.-192 с.

82. Спивак А.И. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1986.- 208 с.

83. Справочник инженера по бурению / Под ред. В.И. Мищевича, H.A. Сидорова. — М.: Недра, 1973 .-Т. 1. 519 с.

84. Справочник инженера по бурению / Под ред. В.И. Мищевича, H.A. Сидорова. М.: Недра, 1973. - Т.2- 375 с.

85. Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов И.Х. и др. Работа бурильной колонны в скважине. М.: Недра, 1973. - 261 с.

86. Султанов Б.З. Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны. М.: Недра, 1991. - 208 с.

87. Султанов Б.З., Габдрахимов М.С., Сафиуллин Р.Р., Галеев A.C. Техника управления динамикой бурильного инструмента при проводке глубоких скважин. М.: Недра, 1997. - 165 с.

88. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле.- М.: Наука, 1967 439 с.

89. Тихонов JI.H., Васильев А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1980 - 230 с.

90. Хузина Л.Б. Исследование энергетических параметров гидравлических вибраторов для бурения горизонтальных скважин. — Автореф. дис. канд. техн. наук.- Уфа, 1999. —24" с.

91. Чефранов К.А. Регулирование процесса бурения М.: Недра, 1972.-159 с.

92. Чугаев P.P. Гидравлика. JL: Энергия, 1975. - 600 с.

93. Шищенко Р.И., Есьман Б.И., Кондратенко.П.И. Гидравлика промывочных жидкостей. М.: Недра, 1976. - 294 с.

94. Шищенко Р.И., Есьман Б.И. Практическая гидравлика в бурении: М.: Недра, 1966.-319 с.

95. Эйгелес P.M. Разрушение горных пород при бурении. М.: Недра, 1971. -231 с.

96. Эйгелес P.M., Стрекалова Р.В. Расчет и оптимизация процессов бурения скважин.-М.: Недра, 1977.

97. Эпштейн Е.Ф., В.Г.Ясов. Бурение скважин^ гидроударниками и пневмоударниками. М.: Недра, 1967г -168 с.

98. Юнин Е.К. Низкочастотные: колебания* бурильного инструмента. М.: Недра, 1983;-132 с.

99. Юртаев В.Г. Динамика буровых установок. М.: Недра, 1987. — 156 с.

100. Яблонский A.A. Курс теоретической механики.— М.: Высшая школа, 1977.-Ч.2. -430 с.

101. Янтурин А.Ш., Рахимкулов Р.Ш., Кагарманов Н.Ф. Выбор частот при вибрационном воздействии на призабойную зону пласта // Нефтяное хозяйство.-1986.- № 12

102. Ясов В.Г. Теория и расчет рабочих процессов гидроударных буровых машин. М.: Недра, 1977. - 153 с.

103. Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 2001.-543 с.

104. Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы.-2-e изд, перераб.-М.: Недра, 1979.- 344. с.

105. Kolle J., Marvin М. Hydropulses increase drilling penetration rates // Oil & Gas Journal.-Week of March 29.- 1999. P. 33 - 37.