автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Определение параметров крутильных колебаний бурильного вала

кандидата технических наук
Маковский, Павел Александрович
город
Москва
год
1999
специальность ВАК РФ
05.15.14
цена
450 рублей
Диссертация по разработке полезных ископаемых на тему «Определение параметров крутильных колебаний бурильного вала»

Текст работы Маковский, Павел Александрович, диссертация по теме Технология и техника геологоразведочных работ

. О и

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Московская государственная геологоразведочная академия имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи

Маковский Павел Александрович

Определение параметров крутильных колебаний

бурильного вала

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.Г.Калинин.

Москва - 1999г.

Оглавление

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Поведение бурильной колонны - функция параметров режима бурения и характеристики системы «бурильный вал - ствол скважины».............6

1.1. Обзор и анализ представлений об особенностях движения бурильного вала в скважине..........................................................................7

1.1.1. Влияние задаваемой частоты вращения бурильной колонны на вид движения произвольного сечения............................................8

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

бурильной колонны.....................................................................................15

1.2. Изучение колебаний бурильной колонны как самостоятельного

вида движения...................................................................................33

1.3. Анализ энергетических затрат на вращение бурильного вала -косвенной характеристики видов движения....................................................46

1.4. Постановка задач исследований..................................................56

Глава 2. Методика исследований........................................................59

2.1. Теоретическое исследование некоторых задач кинематики вращающейся бурильной колонны...............................................................59

2.2. Определение параметров крутильных колебаний вращающегося гибкого криволинейного вала на макете при идеализированной форме движения -Фз............................................................................................79

2.3. Экспериментальное исследование частоты (X) и амплитуды (А) крутильных колебаний по данным скоростной киносъемки...............................101

2.4. Исследования величин (Я,А), характеризующих колебания угловой скорости бурильной колонны на горизонтальном стенде.................................112

Глава 3. Примеры практического применения полученных параметров крутильных колебаний в расчетах затрат мощности и прочности бурильной колонны....................................................................................................120

3.1. Силы сопротивления движению бурильного вала. Крутящий момент. Затраты мощности на процесс вращательного бурения..................................120

3.2. Метод подхода к установлению рациональных геометрических параметров системы «бурильный вал - ствол скважины» при переменных изгибных и касательных напряжениях..........................................................138

Заключение.....................................................................................156

Библиографический список использованной литературы.......................159

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.

Глава 1.

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

Особенность работы бурильного вала заключается в том, что он является частью системы «бурильный вал - ствол скважины» с рядом переменных параметров:

1. жесткость, масса, длина, угловая несоосность соединений, геометрия поверхности - характеризующие бурильную колонну;

2. состояние поверхности стенок, переменный по длине диаметр, кривизна ствола - характеризующие ствол скважины;

3. радиальный зазор, зенитный угол, коэффициент трения - общая характеристика обеих частей системы.

Соотношения этих параметров составляют характеристику конкретной системы, определяют условия работы бурильной колонны и обусловливают выходной показатель системы - затраты мощности при бурении. Условия работы бурильной колонны в скважине не постоянны, а переменны в процессе бурения вследствие разработки ствола скважины, износа наружной поверхности элементов колонны и т. д. Существующие представления о работе бурильной колонны, полученные на основании экспериментальных исследований, пока не дают однозначных ответов о влиянии ряда основных параметров системы на ее энергетическую характеристику. Отсутствие достаточно четких представлений о видах движения бурильного вала в скважине в зависимости от изменения параметров системы «бурильный вал - ствол скважины», требует более детального изучения выходных показателей системы (мощность, частота вращения, осевая нагрузка, как функция от времени) и т.п., на основании которых можно было бы выполнить, как анализ системы, так и установить ее реальные характеристики в процессе бурения. Поэтому целью данных исследований является определение таких условий, при которых существующее оборудование позволило бы

оптимизировать работу бурильного вала, а соответственно и процесс бурения в целом.

§1.1 Обзор и анализ представлений об особенностях движения бурильного

вала в скважине.

Изучением закономерностей движения бурильного вала занимались довольно длительное время, однако сравнительно недавно проведенные исследования с применением современных средств измерения (скоростная киносъемка, осциллография) позволили установить три основных условных (упрощенных) вида поведения сечения колонны в скважине: вращение вокруг оси скважины; вращение вокруг собственной оси; вращение вокруг собственной оси с перекатыванием по поверхности скважины [36, 26, 30, 31 и др.].

Для геологоразведочных труб, с учетом их начальной кривизны, Алексеевым В.Н. выделено три идеализированных движения сечений с присвоением индекса - Ф:

1. Ф1 - прямая прецессия (вращение колонны вокруг собственной оси и вокруг оси скважины);

2. Фг - ориентированный изгиб (вращение колонны вокруг собственной оси);

3. Фз - обратная прецессия (вращение колонны вокруг собственной оси с качением по стенке скважины).

О характере вращения бурильной колонны в скважине имеются различные мнения. Многочисленные наблюдения показывают, что износ бурильной колонны в скважинах имеет часто односторонний характер, поэтому можно полагать, что в этом случае изогнутая колонна вращается в основном относительно оси скважины. Известно, что при бурении в результате образования каверн и желобов изменяется конфигурация ствола скважины. Причиной образования каверн может быть вращение колонны вокруг оси скважины, а желоба могут образовываться как в результате

вращения колонны только вокруг собственной оси, так и при подъеме и спуске в наклонной скважине. В работе [34] принято, что бурильная колонна вращается преимущественно вокруг собственной оси. В работах [11,54] исследованы формы упругого равновесия бурильной колонны при условии, что она вращается вокруг оси скважины. В работе [4] найдены условия при соблюдении которых возможно вращение колонны вокруг оси скважины и показано, что часть колонны вращается вокруг собственной оси, часть может вращаться вокруг оси скважины.

Авторы [17,18] отмечают, что нет чистого движения вокруг собственной изогнутой оси, как и нет четко выраженных круговых обращений. Для каждого сечения характерно свое движение вокруг какого-то мгновенного центра.

Таким образом, видно, что в настоящее время нет четких положений о процессе вращения бурильного вала в скважине. Это объясняется тем, что на характер вращения колонны влияет множество факторов.

§ 1.1.1. Влияние задаваемой частоты вращения бурильной колонны на вид

движения произвольного сечения.

Условия работы бурильной колонны в значительной степени определяются задаваемыми технологическими параметрами. При этом решающее значение имеет частота вращения бурильного вала, так как она существенно определяет характер взаимодействия колонны со стенками скважины в результате потери устойчивости от центробежных сил. В то же время от того, какая будет природа контакта тела трубы с горными породами, такой будет и вид движения. Так, если силы упругости закрученной колонны превышают силу трения скольжения, то возможны варианты движения будут - 01 или Фг; в противном случае, возможно, возникновение обратной прецессии - Фз-

Для более детального исследования вопроса о влиянии задаваемой частоты вращения на вид движения, обратимся к существующим представлениям о форме упругого равновесия вращающейся бурильной колонны с учетом взаимодействия ее со стенками скважины.

Устойчивость вращающихся растянутых бурильных колонн исследована в работе [60]. В результате исследований, проведенных на механической модели, было установлено, что вращающийся стержень, к которому приложена растягивающая осевая нагрузка, при критических скоростях вращения приобретает форму плоской волнообразной кривой.

Экспериментальные исследования, проведенные на стендах, имитирующих работу вращающихся сжато-скрученных бурильных труб, показывают, что ось трубы после потери устойчивости принимает пространственную форму в виде винтовой линии [15,17].

Многие исследователи [57,54 и др.] принимают, что вращающаяся сжато-растянутая бурильная колонна приобретает форму плоской волнообразной кривой с переменной длиной полуволны I. В работах [15,17,63 и др.] рассматривается пространственная форма равновесного состояния низа вращающейся бурильной колонны.

В работе [63] высказывается предположение, что при вращении бурильной колонны в скважине ее растянутая часть приобретает плоский изгиб. При достижении крутящим моментом критической величины растянутая часть колонны имеет форму пространственной спирали с переменным шагом.

В работе [4] говорится о возможности принятия вращающейся бурильной колонной формы винтовой спирали как в сжатой, так и в растянутой ее частях, причем предполагается, что шаг витков спирали равен сумме длин тех двух полуволн, из которых он сформирован.

Окмянский A.C. и другие [47] отмечают, что при имеющих место в практике геологоразведочного бурения величинах частоты вращения сжатая часть бурильной колонны приобретает форму винтовой спирали, шаг которой зависит главным образом от осевой силы. В растянутой части, потеря устойчивости определяется величиной центробежной силы и крутящего момента.

Таким образом, можно констатировать отсутствие единой точки зрения на формы упругого равновесия вращающейся бурильной колонны в сжатой и растянутой частях. Однако намечается некоторая общность представлений о потере устойчивости в растянутой части бурильной колонны. Растянутая часть приобретает форму пространственной спирали при достижении крутящим моментом некоторой критической величины.

Для реальных скважин при небольшой частоте вращения характерна простейшая форма движения - вращение бурильной колонны вокруг некоторой криволинейной оси, во многих опорных точках совпадающей с осью колонны. Таким образом, на отдельных узловых участках фиксируется вращение колонны вокруг собственной оси, а на других вращение вокруг некоторой оси, смещенной относительно как собственной, так и оси скважины. Но с ростом частоты вращения отмечается большее смещение оси колонны относительно оси вращения. Такое движение имеет прямую связь с действием центробежных сил [42]. С увеличением частоты вращения влияние центробежных сил возрастает - уменьшается длина волны изогнутой оси колонны и увеличивается ее кривизна. Это значит, что могут меняться силы прижатия и время воздействия этой силы на единицу длины скважины. Так Ападинская Г.К. отмечает [2], что при всех частотах вращения наблюдается обращение бурильного вала при малых радиальных зазорах и начальной кривизне труб. С увеличением радиального зазора возбуждение обратной прецессии наблюдается на повышенных скоростях вращения (начиная с частоты вращения порядка 300 об/мин). Этот же автор

отмечает, что если в системе «бурильная колонна - скважина» возможно, обращение колонны, то центробежные силы по величине превышают осевые силы и, следовательно, определяют поведение колонны, независимо от пространственного положения скважины.

В результате проведения исследований скоростной киносъемкой, Новожиловым Б.А. [46] установлено, что при малых частотах вращения наблюдалась обратная прецессия колонны на интервале равном 1/4 - 1/3 длины окружности с последующим срывом.

При высоких частотах вращения (свыше 377 об/мин) наблюдалось два варианта движения:

1. вращение центра сечения (по направлению задаваемого вращения) вокруг некоторой оси, не совпадающей ни с осью скважины, ни с центром сечения колонны. Причем, чаще всего положение оси вращения изменялось для последующего оборота по сравнению с предыдущим, однако через определенное число оборотов оно вновь совпадало с неким первоначальным, т.е. этим перемещениям присуща периодичность;

2. движение, при котором центр сечения движется в сторону противоположную задаваемому вращению, по окружности с радиусом (К - г), сопровождающееся срывами и ударами при п > 700 об/мин, имеющее характер равномерной обратной процессии в диапазоне частоты вращения п = 300 - 700 об/мин.

Значительный интерес представляет исследование возбуждения различных видов движения бурильной колонны в горизонтальной скважине по мере увеличения частоты вращения, проведенные Воробьевым Г.А. [30]. Автор указывает следующие закономерности смены вариантов движения колонны в горизонтальной скважине (Рис. 1.1):

Виды движения в системе ЛБТН - 42/136

Рис. 1.1. �