Развитие методологии моделирования процессов технологии бурения и скважинных механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ И СКВАЖИННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ДОЛГУШИН ВЛАДИМИР ВЕНИАМИНОВИЧ

Тюмень 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет (ТюмГНГУ)»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Кулябин Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Хегай Валерий Константинович

- доктор технических наук, профессор Агзамов Фарид Акрамович

- доктор технических наук, профессор Балденко Дмитрий Федорович

Ведущая организация - ООО «Бургаз» ОАО «Газпром»

Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.291.01 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта Республика Коми, ул. Первомайская, дом 13, УГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета по адресу: 169300, г. Ухта Республика Коми, ул. Первомайская, дом 13

Автореферат разослан ___ ________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Н.М. Уляшева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 углубление скважина бурильный горный

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 Мопертюи-Лагранжа и базируется на данных, полученных экспериментальным путем автором и другими исследователями.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью 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.

2. 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.

3. Разработана схема развития скачков разрушения породы в скважине и расширено объяснение механизма этого явления, обоснована необходимость конструирования вогнутой породоразрушающей вершины зуба долота, предложены формулы для расчета расположения зубьев на шарошке с учетом взаимовлияния их на объем выбуриваемой породы.

4. Теоретически обоснована и экспериментально апробирована имитационная модель работы на разрушаемом забое шарошечного долота с любой формой породоразрушающих 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 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

Содержание диссертационной работы включает введение, 6 разделов, основные выводы и рекомендации, список литературы из 209 наименований и приложения. Объем работы - 260 страниц машинописного текста, в том числе 52 рисунка, 5 таблиц и 6 приложений.

Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Кулябину Г.А. за многолетнее плодотворное сотрудничество и большую помощь при проведении научных исследований и промышленных испытаний разработок, старшему преподавателю кафедры «Геофизические исследования скважин» ТюмГНГУ Касимову М.М. и ассистенту кафедры «Машины и оборудование промыслов» ТюмГНГУ Хлусу А.А. за сотрудничество при проведении совместных исследований, аспиранту Дудыреву А.В. за большую техническую помощь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности процесса углубления скважин путем развития методологии моделирования процессов технологии бурения и скважинных механизмов, сформулирована цель диссертационной работы, определены основные задачи исследований и разработок, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные защищаемые положения.

В первом разделе показаны возможности решения проблемы повышения эффективности процесса углубления скважин путем оптимизации функционирования системы «буровой насос - бурильный инструмент - скважина» или отдельных ее составляющих при системном моделировании объектов и процессов, для выполнения которого необходимы знания существа моделируемого объекта или процесса и глубокое понимание основ системно-аналитического подхода. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных исследований по разрушению горных пород, по вопросам динамики работы долота на разрушаемом забое, технико-технологическим характеристикам забойных двигателей и передаче энергии при углублении скважин; сформулированы научно-технические направления совершенствования процесса углубления скважин.

Одними из основополагающих трудов по использованию системного моделирования в бурении являются работы А.А. Погарского, Е. А. Козловского, В.П. Кондрахина, В.Н. Сытенкова, Л.А. Афонина. Работы этих авторов в основном посвящены проблемам управления процессом бурения, добычи нефти, работы породоразрушающих машин, а также описанию отдельных подсистем сложного уникального бурового комплекса, в связи, с чем необходимы дальнейшие исследования по системному анализу и моделированию процессов совместной работы забойных механизмов и буровых насосов, с целью повышения эффективности процесса углубления скважины.

Широкомасштабные исследования механических свойств горных пород применительно к условиям глубокого бурения, углубленное изучение теории разрушения горных пород представлены в работах В.С. Владиславлева, Н.Н. Павловой, Л.А. Шрейнера, Р.М. Эйгелеса, А.И. Спивака, А.Н. Попова, Б.А. Жлобинского, М.Р. Мавлютова, Б.В. Байдюка, К.И. Борисова и других исследователей. Несмотря на значительный успех аналитических и экспериментальных исследований, из-за сложности реального процесса разрушения пород, количественное прогнозирование его результатов остается неразрешенной до конца задачей. Опубликованные работы дают определенное понимание процесса, но механизм разрушения пород до настоящего времени остается дискуссионным; не полностью использованы возможности оптимизации формы породоразрушающей вершины зуба и взаимного расположения зубьев на шарошке.

Моделированию работы шарошечных долот и исследованию динамики бурильного инструмента в разные годы посвящены работы В.В. Симонова, П.В. Балицкого, Р.М. Эйгелеса, Б.З. Султанова, Э.Л. Комма, Г.Ф. Перлова, А.С. Мокшина, А.И. Спивака, А.Н. Попова, Б.Л. Стеклянова, Н.А. Биланенко, Б.Н. Трушкина, М.М. Абдуллина, О.Б. Трушкина, О.Г. Блинкова, Е.К. Юнина, В.К. Хегая, В.И. Иванникова, Г.А. Кулябина, Л.Б. Хузиной и других ученых. На основании анализа этих исследований сделан вывод о том, что до сих пор для шарошечных долот с различной формой породоразрушающих элементов не предложена схема реакции забоя, отражающая реальные условия работы долота; остается актуальной разработка имитационной модели работы шарошечного долота на разрушаемом забое для оценки кинематических и технологических характеристик долота; требуется проведение дополнительных исследовательских и опытно-конструкторских работ по отработке конструкций автономных механических устройств для формирования осевой нагрузки на долото при бурении турбинным способом наклонно-направленных скважин, а также скважин с горизонтальными участками.

Наибольший вклад в исследование работы и характеристик гидравлических забойных двигателей внесли П.В. Балицкий, М.Т. Гусман, Б.З. Султанов, Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, С.Л. Симонянц, Л.А. Кондратенко, Г.А. Кулябин и др. исследователи. Из анализа работ вышеперечисленных авторов можно сделать вывод о том, что методологическая основа построения имитационных моделей характеристик серийных турбобуров и винтовых забойных двигателей требует уточнения и дальнейшего развития.

Эффективность углубления скважины зависит от величины мощности, реализуемой долотом на разрушение породы. Так как источники энергии (буровой насос и механический привод) находятся на значительном удалении от потребителя (долота), то процесс передачи энергии в такой динамической системе имеет существенное значение. О том, что процесс передачи энергии при углублении скважины имеет определенные закономерности, впервые отмечают в своих исследованиях Б.Л. Стеклянов и П.И. Ибрагимова, которые сформулировали закономерность затрат мощности динамических систем. При анализе технологической характеристики турбобура Г.А. Кулябин заметил, что зависимость М_в = f(n) не линейна (М.Т. Гусман и др.) и разделяется на три характерных участка. На основании проведенного анализа результатов исследований ряда работ, природных явлений передачи энергии в объектах и энергетических системах был сделан вывод о том, что существуют объективные закономерности передачи энергии в динамических системах, в том числе скважинных, особенно при углублении скважины, в связи, с чем потребовались дополнительные исследования и формулирование закономерностей по передаче энергии в разных системах.

В результате научных обобщений и аналитической оценки современного уровня решения проблемы совершенствования процесса углубления скважин сформулированы основные направления развития методологии моделирования процессов технологии бурения и скважинных механизмов.

Во втором разделе на основе системно-аналитического подхода дается методология выделения систем, подсистем, элементов, взаимосвязей между элементами, между системой и внешней средой, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс функционирования системы «буровой насос - бурильный инструмент - скважина» и получение конкретного результата при проводке скважины [16]. Представленная система описана как совокупность отдельных подсистем, а они в свою очередь также могут состоять из подсистем и элементов. Схему системы можно и удобно изображать в форме равнобедренных трапеций, например, соединенных основаниями. А к общеизвестным свойствам систем (подсистем), таким как целостность (интегративность), делимость, иерархичность, коммуникативность, считаем необходимым добавить реальность и динамичность системы, поскольку задачи, связанные с передачей, преобразованием энергии и ее потреблением в корректной постановке без учета динамики решить нельзя.

На рисунке 1 представлена схема модели системы «буровой насос - бурильный инструмент - скважина» для углубления скважины турбинным способом. В выделенной системе вектором входных управляемых воздействий Х(t) = {x₁, x₂, … x_n} являются расход бурового раствора, его свойства и осевая нагрузка на долото, а неконтролируемыми случайными воздействиями F(t) = {f₁, f₂, … f_n}, - твердость и абразивность разрушаемой породы, температура в скважине. К вектору состояния выделенной системы S(t) = {s₁, s₂, … s_n} относятся фиксированные конструктивные параметры системы, в том числе тип долота и забойного двигателя, а к выходным параметрам системы Y(t) = {y₁, y₂, … y_n} относятся механическая скорость бурения, проходка на долото, энергозатраты, себестоимость 1 м пробуренной скважины, показатели качества скважины. Тогда аналогично В.П. Кондрахину функционирование рассматриваемой системы с учетом неконтролируемых случайных воздействий F(t) можно выразить следующим уравнением:

,(1)

где Q - оператор выходов, однозначно определяющий выходные параметры, в зависимости от управляющего и неконтролируемого входных воздействий с учетом состояния системы; X_t0t1, F_t0t1 - векторы входных, соответственно, управляющего и неконтролируемого воздействий на временном отрезке (t₀ - t₁); S(t) - вектор состояния системы в любой момент интервала времени (t₀-t₁).

При выделении целевых систем (подсистем) возникают трудности субъективного и объективного характера. Объективными причинами можно считать то, что некоторые физические и материальные явления до сих пор не объяснены на доступном уровне их восприятия. К таким явлениям, в частности, относится процесс переноса энергии (Э) от источника к потребителю в динамических системах.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Схема модели системы «буровой насос - бурильный инструмент - скважина» для турбинного бурения

При решении задач и проблем с передачей энергии в буримой скважине системы необходимо представлять в виде процессов и действий. 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 подсистема. Коммуникативность принятой системы следует выявить при рассмотрении других ячеек в сети более общей системы объектов и действий в буримой скважине с учетом, например, взаимодействия бурильного инструмента с ее стенками.

Для наглядности процесс передачи энергии удобнее рассматривать на графике изменения мощности во времени N=f(t) или в зависимости от частоты вращения, т.к. мощность вращательного движения является функцией частоты, а изменение гидравлической мощности N_г=f(t) бывает удобным представлять графиком изменения давления P=f(t), т.к. величина гидравлической мощности потока жидкости определяется по общеизвестной формуле , т.е. диаграммы N_г=f(t) и P=f(t) тождественны.

На специальном стенде были проведены и обработаны результаты большого количества опытов по исследованию гидроимпульсного суммарного давления Р_RC [2], возникающего при воздействии поршнем или стержнем на встречный поток жидкости в трубопроводе (в т.ч. и в бурильной колонне). В этом случае одиночные импульсы Р_R суммируются в пакет волн P_RC, который со скоростью звука в промывочной жидкости в трубопроводе движется к источнику энергии (к буровому насосу и др.) и нарушает его работу. График приращения давления в гидросистеме в зависимости от величины начального давления представлен на рисунке 2,а. Получены зависимости для расчета Р_RC [1]. На рисунке 2,б представлена диаграмма изменения Р_RC = f(t).

Результатами исследований гидроимпульсного давления Р_RC подтверждены механизм и закономерность передачи гидравлической энергии в системах «преобразование Э - передача Э - перестройка режима передачи Э».

В условном названии предложенной трактовки закономерности передачи энергии применен термин закономерность «трех синусоид» [5], поскольку модели обычно представляют в форме графа, как на нашем рисунке 2,б, 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. Естественными образцами при этом, являются пламя свечи, многие плоды растений, обитатели водной среды и другие сотни объектов. Причем, потребители энергии, преодолевающие поток энергии, используют такие закономерности передачи энергии и в обратном порядке, начиная процесс с перестройки системы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Диаграмма изменения гидроимпульсного давления: а - приращение давления к величине начального; б - изменение гидроимпульсного давления во времени (1 и 2 - моменты, соответственно, включения и выключения источника виброэнергии; Т_сж - период колебаний в жидкости)

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.

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 11), отличие кривых, отражающих передачу энергии от источника до потребителя, может быть незначительным [5].

Для аналитического описания кривой она разделена на три характерных участка (рисунок 3, а, б, в), на каждом из которых узловые точки и аналогичные параметры описаны одними и теми же символами. В случае если т. 0 и т. 4 являются, соответственно минимумом и максимумом графика (рисунок 3, а), или т. 0 и т. 4 являются, соответственно максимумом и минимумом графика (рисунок 3, в), а т. 2 является точкой перегиба функции, то кривую можно описать, например, на участке 2-4 (рисунок 3, а), следующей формулой N=f(t):

,(2)

где N₇, N₄, t₇, t₄ - значения мощности и времени, соответствующие точкам 7 и 4.

В общем случае для аналитического описания кривой можно ввести дополнительную систему координат x-y, совпадающую с хордой, соединяющей начало и конец синусоидального участка и проходящей через точки перегиба т. 0, т. 2, и т. 4 (рисунок 3, в), и описать график функции N=f(t) трансцендентным уравнением (при его решении методом приближения):

,(3)

где ;L - длина полуволны графика; N₀, N₁, N₂, t₀, t₂ - значения мощности и времени соответствуют точкам 0, 1 и 2; ц - угол между осью x дополнительной системы координат и осью t (рисунок 2,а,б,в).

а б в

Рисунок 3 К аналитическому описанию кривой N=f(t): а - участок преобразования энергии; б - участок передачи энергии от источника к потребителю; в - участок перестройки режима передачи энергии

Сформулированный нами принцип реализации энергии в динамических системах, названный закономерностью «трех синусоид», и способ аналитического описания кривых используются нами при разработке моделей технико-технологических характеристик гидравлических забойных двигателей. Установленная закономерность применима ко всем подобным системам.

В третьем разделе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по разрушению горных пород при углублении скважин с учётом вибродинамики бурильного инструмента и промывочной жидкости [3, 11, 12].

В работах исследователей УГНТУ и др. осуществлен большой объем экспериментальных стендовых исследований, в которых описаны: процесс и характер образования лунки разрушения породы, его звуковое сопровождение, минимальная необходимая удельная энергоемкость разрушения породы A_V при 2-м и 3-м СРП со снижением A_V от 1-го до 4-го СРП. Отмечено, что у ядер из породы после СРП должны появляться свойства жидкости. Соотношение А_Vi по СРП от одного до 4-х может быть таким (в сравнении с общей А_VO): 0,5; 0,34; 0,12; 0,08. В результате опытных работ на стенде исследователи не рассматривали как в процессе 2-х - 4-х СРП взаимосвязаны действия осевого усилия на забой скважины G_з и реакция породы на долото R_з, его вооружение и опору, при изучении процесса разрушения пород под индентором редко в отдельности выделяют действие осевых усилий при разных ПВЗД. До сих пор не были определены понятия породоразрушающая вершина зуба (ПВЗ) и скачок разрушения породы.

Считаем возможными следующие определения ПВЗ и СРП [3]:

- ПВЗ - это верхняя часть головки зуба, которая определяется площадью проекции поперечного сечения зуба, например, F_kl на породу, или на поверхность забоя скважины, в момент времени начала процесса её разрушения, или в момент окончания соответствующего СРП, под действием необходимого или фактического осевого усилия на зуб долота;

- СРП - скачок разрушения породы - это процесс передачи энергии зубом долота горной породе, формирования в ней лунки разрушения с образованием псевдосжиженного ядра из породы с возможностью ее раздавливания, упругой осевой деформации, сдвига, скола или отрыва частиц породы зубом долота или ядром.

Как видно ПВЗ, F_k1, F_k (для количества зубцов k_z, одновременно участвующих в процессе СРП, принимаем F_k = k_z·F_kl) и СРП - понятия и параметры взаимосвязанные.

Нами произведен анализ состояния более 40 долот типа «С», поднятых из скважин, пробуренных в Нефтеюганском районе (Тюменская область). После отработки долот с фрезерованным вооружением с разной степенью износа от 30 до 80% (рисунок 4) проанализирован характер износа зубьев.

На основе исследований ПВЗ отработанных долот с фрезерованным вооружением, эффективности долот типа СГН-З, с которыми в Тюменской области длительное время получали высокие механические скорости проходки V_м, характера расходования энергии в псевдосжиженном ядре, образующемся из породы под ПВЗ, соответственно, и изменения энергоемкости процесса разрушения породы при СРП, с учетом влияния «гидроударных» явлений в псевдосжиженных ядрах породы, повышения температуры под ПВЗ, нами сделаны следующие выводы: при вогнутой ПВЗ к оси шарошки (рисунок 5) z = 0 и при z/(0,5•b₃) = 0,25; z = 0,25·0,5·6 = 0,75 мм в течение времени t = 0…ф_к под ПВЗ начинает и заканчивает формироваться псевдосжиженное ядро высотой h_я z, а в итоге можно получить ? h_яi h_omax, т.е. проявляются возможности более эффективного использования кинематики и динамики долота и, естественно, во взаимосвязи с динамикой низа бурильного инструмента. Здесь h_omax - максимальная величина ?h_яi в соответствии с кинематическими возможностями долота; z - координата равных напряжений под зубом долота.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 Отработанное долото с фрезерованными зубьями: А - постоянные углубления (выработки) в центральной части ПВЗ

Вооружение шарошечного долота с вогнутой ПВЗ необходимо для более эффективной реализации энергии при 2-х, 3-х и 4-х скачках разрушения породы. При снижении объема ядер 3-го и 4-го СРП концентрация энергии в этих ядрах возрастает, что особенно эффективно в процессе роторно-шпиндельного (РШ) способа бурения. Так как ядра уплотняются, то увеличивается давление в псевдосжиженных ядрах (Р_яi) и соответственно скорость звука в ядрах, усиливаются гидроудары в ядрах, быстрей наступает гидроотрыв объемов породы между соседними (смежными) зубьями. При третьем СРП сопротивление на отрыв части породы возле кромок ПВЗ возрастает и выравнивается, поэтому напряжение под ПВЗ достигает прочности породы на отрыв, а после появления трещин возле ПВЗ достаточно легко происходит гидроотрыв определенного объема (но бо^/льшего, чем объем лунок при обычных способах бурения и ПВЗ) кусочков или кусков горной породы между смежными зубьями.

Рисунок 5 Схема к разрушению породы под вогнутой ПВЗ при скачках разрушения: а - направление воздействия ПВЗ на породу от действия осевого усилия на один зуб; б - то же, что и "а", но при 3-х - 4-х скачках; 1…4 - положения кромок ПВЗ; 5 - возможное положение кромки ПВЗ после 3-его СРП; 1'…4' - псевдосжиженные ядра при СРП; 6 - трещины; 7, 9 - границы лунок разрушения со сдвигом, отрывом и дроблением частиц породы, соответственно, при 2-ом и 1-ом СРП; 8 - объём жидкости под ПВЗ в начале 1-го СРП; 10 - тело (поверхность) шарошки долота; 11 - возможное более интенсивное внедрение ядра в разрушаемую породу; 12 - примерные величины осевых перемещений ПВЗ и продвижения ядер приведены для долота типа 215,9 МЗГВ; 13 - 4,5 мм - это возможная величина перемещения ПВЗ при опоре шарошки на один зуб и контакте с породой двух смежных с ним зубцов одного венца шарошки, а чаще - это сумма осевых перемещений ПВЗ и части ?h_яi

Форма ПВЗ по периметру может быть круглой, квадратной (рисунок 6) или в виде прямоугольника. Считаем, что при второй форме менее экономно расходуется переданная породе зубом энергия, но асимметричность ее передачи усилит взаимовлияние зубьев на разрушение породы.

Жидкость под зубом долота с вогнутой ПВЗ - это по существу «предядро» по отношению к последующему псевдосжиженному ядру породы, поэтому ядро первого скачка может быть вогнутым сверху. Так как пседосжиженное ядро сжимается (по сравнению с объемом разрушаемой породы), или 3-е и 4-е ядра поступают в образовавшиеся трещины (рисунок 5, б), то в любом случае зуб долота будет перемещаться вдоль своей оси в породу, но на разную величину д_зi в зависимости от условий и количества СРП. В процессе микрогидроударов в псевдосжиженных ядрах при СРП ядра образуются за время t < ф_к (время контакта), поэтому зуб долота с меньшими энергетическими затратами и быстрей может перемещаться вдоль своей оси, особенно при наличии вогнутой ПВЗ. При этом состав ядер и механизм их воздействия на образование лунки разрушения должны отличаться от таковых с применением ПВЗ со сферической и плоской вершиной зуба или штампа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Схема зубка, породоразрушающая вершина которого выполнена в форме квадрата: а - схема; б - твердотельная модель

В работе А.И. Спивака и А.Н. Попова осевую деформацию породы под ПВЗ от действия статической G_ст предложено рассчитывать как

,(4)

тогда как по П.В. Балицкому с применением динамической жесткости породы a_гп:

,(5)

где м_пу - коэффициент Пуассона; b₃ - ширина площади контакта ПВЗ с породой, м; Е_п - модуль упругости горной породы, Па; a_гп - Н/м, G_з1 - осевая нагрузка на забой, Н.

При расчете д_ст по формуле (4) в ее правой части численный коэффициент в скобках следует брать не менее 1, так как (согласно теории Герца о внезапно приложенной нагрузке) G_ст удваивается при переходе с одного зуба на другой; к тому же G_ст при бурении скважин с гидравлическими забойными двигателями часто больше G_д. Поэтому в общем случае чаще может быть д_ст ? д_з1.

Определив координату (по оси зуба) z, находим точку, где напряжение под ПВЗ максимально в результате 1-го СРП. Далее для второго и 3-го СРП деформация под ПВЗ реализуется как д_з1.

По результатам исследований и рекомендаций А.И. Спивака, А.Н. Попова, Б.А. Жлобинского, М.Р. Мавлютова, Г.А. Кулябина и др., а также информации, полученной при бурении скважин, в том числе и роторно-шпиндельным способом [1], при удельной нагрузке на забой скважины, превышающей твердость пород по штампу, предлагается схема процесса появления и развития 2-х - 4-х СРП при взаимодействии зуба шарошечного долота с породой, когда во время реализации заданных величин G_з, частоты вращения долота n и времени контакта зубка с породой ф_кi изменяется вектор действия относительно плоскости залегания пластов пород, следовательно, меняется в зависимости от свойств пород сопротивляемость горной породы на воздействие зуба и ответная реакция от породы забоя на зуб, меняется во времени и по объему псевдосжиженное ядро. Такая цепочка событий происходит в динамике, когда деформация породы на сжатие, сдвиг и отрыв происходит при разных видах, спектрах и амплитудах вибраций в промежутки времени [1]: перехода G_ст с зуба на зуб смежных на венце; деформации породы под зубом д₃₁ и выхода вершины зуба из лунки вдавливания.

В зависимости от расходуемой энергии и мощности на деформацию пород при разных способах бурения реализуется разное количество СРП; при РШ - способе в полной мере можно обеспечить G_ст, G_д и соответствующие моменты времени, поэтому в любых породах возможны четыре СРП.

Отметим, что шаг зубьев долота t_z является одним из основных параметров, от которого зависят, количество СРП, уровень A_V и весь процесс углубления скважин, в частности, k_z и составляющие периода осевых зубцовых вибраций долота (ОЗВД) - T_Д зависимы от t_z, как и несколько других параметров и процессов (вопреки мнению об отношении радиуса долота к радиусу шарошки - R/r_ш).

Повышения эффективности передачи энергии от зуба долота разрушаемой горной породе на забое скважины можно достичь с применением предложенной конструкции шарошки при определенной форме ПВЗ и её расположении относительно оси долота, тела шарошки и относительно центра смежных ПВЗ с усилением эффективности реализации 2-го СРП и возможности проявления последующих 3-го и 4-го СРП [18]. Шарошка бурового долота содержит корпус 1 с элементами вооружения, выполненными в виде твердосплавных зубков 2 с их расположением в три ряда на периферийных венцах и в один ряд на ближних (зубки 3) к периферийному венцу (рисунок 7).

Рисунок 7 Схема расположения зубков на периферийном и ближних к нему венцах шарошки: 1- шарошка бурового долота; 2 - зубки на периферийном венце шарошки; 3 - зубки на венцах, ближних к периферийному

Поверхность породоразрушающих вершин зубков 2 с торца выполняют вогнутой на величину Д = 0,3…1,5 мм в зависимости от формы и размера ПВЗ по её кромке b_з, а также от свойств породы. Наружные грани по периметру породоразрушающих вершин зубков заострены или закруглены по расчетному радиусу r_з. Для повышения эффективности расходования энергии, подведенной к зубкам долота на периферийных венцах, расстояние l^* между центрами зубков (и ПВЗ) и шаг зубков шарошки t_п должны быть такими, чтобы реализовать эффект взаимовлияния от действия ПВЗ соседних (смежных) зубков. В связи с возможностью эффективной реализации 3-х - 4-х СРП и взаимовлияния зубьев на объем выбуриваемой породы предлагаем в периферийном венце шарошки расстояние между центрами зубков, расположенных в три ряда, и шаг зубков шарошки определять по формулам:

l^* = (4…4,5) b_З;t_i = (р d_шi) / z_i,(6), (7)

где d_шi - диаметр шарошки по ее периферийному венцу или по ближнему с периферийным венцом; z_i - количество зубков на соответствующих венцах шарошки.

Вылет зубков над поверхностью шарошки среднего из трех рядов на периферийном венце меньше вылета зубков двух других (крайних) рядов на величину 0,3…1,5 мм, в зависимости от свойств горных пород.

В процессе углубления (бурения) скважины при вогнутой поверхности ПВЗ поток подведенной к забою энергии расходуется более концентрированно, а при опережающем воздействии ПВЗ зубков крайних рядов по отношению к ПВЗ зубков среднего ряда порода под зубками разрушается быстрей от усилий и напряжений на разрыв снизу.

В результате выполненных исследований предложены новые формулировки понятий «породоразрушающая вершина зуба» и «скачок разрушения породы», обоснована необходимость конструирования вогнутой ПВЗД, разработана схема развития скачков разрушения породы в скважине и расширено объяснение механизма этого явления, предложены формулы для расчета шага зубьев долота с учетом взаимовлияния их на объем выбуриваемой породы и новая конструкция шарошки с эффективным расположением зубьев.

В четвертом разделе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследований по моделированию работы шарошечного долота на разрушаемом забое [4, 6, 9, 10, 13, 14].

У долот ударно-сдвигающего действия, предназначенных для бурения скважин в породах с большей пластичностью зубья в контакт с породой вступают не одновременно и под некоторым острым углом к ее поверхности, что значительно снижает проектные динамические нагрузки.

На основании исследований для долот со штыревыми зубьями нами предложена новая, отражающая реальные условия схема реакции забоя [6, 14]. При этом сделаны допущения: величина R_з реакции забоя не зависит от скорости перемещения породоразрушающего элемента; в процессе скачка разрушения породы [3] формируется лунка разрушения с образованием псевдосжиженного ядра из породы с возможностью ее раздавливания; суммарная реакция забоя на зуб шарошки, складывается из сил, действующих на элементарные площадки породоразрушающей вершины зуба, приложенных в центрах масс этих площадок.

Для определения размера ПВЗ поверхность его головки разбивается на достаточно большое число площадок треугольной формы. Эта задача решается при использовании комплекса МКЭ ANSYS. На рисунке 8,а представлена геометрическая модель наиболее часто используемого для шарошечных долот зубка М13х18 с сеткой конечных элементов. По координатам вершин треугольной площадки в системе координат головки зубка x_h y_h z_h определяются ее размер, координаты ее центра масс, направление вектора нормали к ней.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 Геометрическая модель зубка с сеткой конечных элементов (а) и схема разрушения объема породы элементарной площадкой (б)

В принятой схеме реакция забоя на каждой элементарной площадке ПВЗ приложена в центре масс этой площадки и представляется в виде геометрической суммы двух составляющих сил. Эти составляющие в свою очередь складываются из сил сопротивления породы разрушению и сил трения, возникающих в процессе разрушения породы и действующих на зубья шарошки. Одна из составляющих направлена в тело зуба перпендикулярно рассматриваемой элементарной площадке, пропорциональна давлению на нее и условно названа нами силой нормального давления , направление другой противоположно направлению абсолютной скорости центра масс площадки, находится в линейной зависимости от площади разрушаемого слоя, физико-механических свойств породы и названа нами - силой сопротивления разрушению . Для элементарной площадки ДF_qik (рисунок 8,б), расположенной на вершине i -го зуба в k -м венце f -й шарошки, реакция забоя , приложенная в точке q, определяется как

.(8)

Выражения для обеих составляющих в векторной форме:

; , (9), (10)

где - абсолютная скорость движения точки q; p_max - максимальное давление, равное давлению на площадках, перпендикулярных направлению действия осевой силы ; k_с - коэффициент пропорциональности в Н/м², учитывающий влияние вида рабочего элемента шарошки и физико-механических свойств породы на силу сопротивления ее разрушению.

В этих выражениях R_nqik = 0, если ДF_zqik ? 0, R_cqik = 0, если .

Для пересчета координат точек, расположенных на поверхности зубка, из системы координат зубка в системы координат шарошки, долота и скважины используется матричный способ перехода от одной системы координат к другой (рисунок 9):

; ;; .(11)

В этих выражениях {r_h}, {r_ц}, {r₂}, {r_д}, {r_с} - векторы-столбцы координат одной и той же точки в соответствующих индексу системах координат, а [S_цh], [S_2ц], [S_д2], [S_сд] - матрицы перехода из системы координат, соответствующей второму индексу, в систему координат, соответствующую первому индексу.

На рисунке 9 изображены: x_h y_h z_h - сиcтема координат головки зуба;
x_о y_о z_о; x_г y_г z_г; x_ц y_ц z_ц - переходные системы координат от зуба к шарошке;
x₂ y₂ z₂; x_д y_д z_д; x_с y_с z_с - системы координат, соответственно, шарошки, долота и скважины; б_f - угол наклона оси цапфы шарошки к оси долота, , - векторы угловых скоростей, соответственно, долота и шарошки.

Суммирование усилий производится по разрушающим в данный момент времени породу n_qik площадкам вершины i-го зуба, по n_рk работающих зубьев в k-м венце и по n венцам f-й шарошки. В результате относительно точки О₂ системы координат шарошки x₂y₂z₂ определяется вектор-сила и вектор-момент сил , действующих на шарошку со стороны забоя (рисунок 9)

,.(12) (13)

Для промежутка времени Дt с учетом принятых ранее допущений, а также, пренебрегая силами инерции, условия равновесия долота записываются следующим образом:

;.(14) (15)

В этих выражениях: G, M - нагрузка и крутящий момент на долоте; R_дzf, M_дzf - проекции вектора-силы и вектора-момента системы сил, действующих на f-ю шарошку со стороны разрушаемой породы, на ось z_д системы координат x_дy_дz_д, связанной с долотом; R_дxf - проекция вектора-силы на ось x_д; e_f - смещение оси шарошки относительно оси долота.

Из условия равновесия долота (12, 13), и учитывая (14, 15), определяются осевая нагрузка G и крутящий момент на долоте M

;(16)

.(17)

Число n_рik элементарных площадок зуба, разрушающих в данный момент породу, определяется с учетом геометрических параметров шарошек и зубков, формы поверхности забоя, текущего положения зубка и глубины его погружения в породу.



Рисунок 9 Схема к расчету силовых факторов, действующих на секцию шарошечного долота

Передача движения от долота к шарошке осуществляется посредством разрушаемой породы. В результате использования закона изменения кинетической энергии получено уравнение движения и работы шарошки в ее относительном вращении вокруг своей оси за достаточно малый промежуток времени Дt

,(18)

где - коэффициент полезного действия сил в опоре.

С учетом (16), (17) величины k_c и p_max. определяются выражениями:

;(19), (20)

Для нахождения k_c и p_max для определенного типа вооружения и определенной породы, кроме G и M необходимо знать механическую скорость бурения, угловые скорости вращения долота и шарошек.

Для практического использования методики аналитической оценки нагруженности опор шарошек с целью нахождения усилий, действующих на шарошку в процессе взаимодействия с породой, а также непосредственного экспериментального определения нагруженности шарошек долота создано экспериментальное устройство. Методика экспериментального определения нагруженности долота разрабатывалась применительно к уже имевшемуся в лаборатории механики долота ВИИИБТ комплексу технических средств [9].

Основу измерительного комплекса составляет модель долота, сохраняющая реальное взаимное расположение и реальную жесткость своих элементов. Каждый шарошечный узел в этой модели устанавливается на измерительной балке. Предложенная нами оригинальная схема тензодатчиков, смонтированных на каждой измерительной балке, позволяет определить главный вектор и главный момент сил, действующих на шарошку со стороны разрушаемой породы.

Эксперименты по определению нагруженности шарошек выполнялись на буровом стенде ЗИФ-1200 при разбуривании известняка, а также при работе с алюминиевым забоем на следующих режимах: частота вращения забоя - 1,117 с^-1; нагрузки на долото - 2*10⁴ Н, 4*10⁴Н, 6*10⁴Н. Опыты проводились с моделью долота типа «М» диаметром 215,9 мм. Погрешности модели не превышали: 0,6 мм - по радиальному биению и 0,3 мм - по разновысотности шарошек. Кроме измеряемых с помощью тензометрических балок параметров усилий и моментов на стенде определяются нагрузка на долото, крутящий момент, частоты вращения забоя и шарошек, а также - механическая скорость бурения.