автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка управлямых забойных гидромеханизмов и методики дистанционного управления с помощью импульсов давления

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ. . НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ (ВНИИВТ)

На праьах рукописи

ПЕТРУШИН Валерий Иванович

РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМЫХ ЗАБОЙНЫХ ГИДРОМЕХАНИЗМ® Я МЕТОДИКИ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.04.07 - Машины и агрегаты нефтяной

и газовой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

- г -

-- Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники (ВШЯБТ).

■. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гусман М. Т.

кандидат технических наук, доцент . Ивановский В. К

Еедущее предприятие: Производственное объединение "Баашефть"

Защита диссертации состоится " 1992г. в ^часов

ка заседании специализированного Совета Д. 104.03. 01 Всесоюзного ■ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники по адресу: 117049, Москва В-49, Ленинский проспект, 6, ВИЖБТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВШИБТ.

Автореферат разослан " " ¿15""; Э92г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью,, тзрссим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного сове :а.

Учены:! секретарь спэцкахкзироБаяного Совета ^"-лдадат технических наук

• I

I

... _ з -

.-.11"I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

Актуальность проблема

Повышение эффективности добыча нефти зависит от совершенства применяемой техники и технологий. Технический уровень, и своевременное обновление буровой техники, как и любой продукции машиностроения зависят от использования современных подходов при проектировании и "высоких технологий" при изготовлении. Расширение применения зарубежной техники на отечественных нефтепромыслах предъявляет к новой технике требование конкурентоспособности.

Глубина нефтяных и газовых скважин в большинстве регионов нэуклошю растет. Соответственно увеличивается время спус-ко-подъемных операций для замены элементоз компоновки низа бурильной колонны (КНБК). В связи с этим возникает потребность в таких элементах КНБК, которые по команде с поверхности' могли бы изменять свои рабочие параметры и режим работы; например, угол излома оси отклонителя, резким работы гидрораспределителя: заполнение, промывка, ' бурение, опрессовка; наконец, просто включенное или выключенное состояние муфт сцепления гидродвигателей, ударных гидромеханизмов, устройств для ремонта скважин, скватаиных приборов.

Цель работы.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработать рациональную методику дистанционного управления забойными механизмами л научно обоснованные рекомендации по проектированию управляемых забойных гидромеханизмов.

Основные задачи работы • '

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

1) Обсбгздаь отечественный и аарубежшй опыт, проанализировать ;.:етодн управления, конструкции к технические решения.

2) Теоргкл'оски исследовать процесс дистанционного управления (ДУ) с различите! типа!,к управляющих узлов забойных механизмов {BI.Q.

■■3) Преддо^дта рациональную штодшу ДУ и принципиальные схемы ЗМ, ее роал5зу:^?:х.

4) Экспериментально последовать работу и свойства функциональных блоков - основные угх 13 ДУ 3)1

5) Разработать и испитетъ рад базовых блочно-модульиьг-с конструкций ДУ 311

' Методы реиения поставлю;г,задач.

Для решения поставленных ;,.:;дач применялись следующее катоды.

1) При ттеттическом ил.„'даровшши нестационарных процессов, возникающих в системе "источник сигнала - канал связи -2трави1е:лЛ объект", применительно к бурящейся скважине, используется !.;гтод характеристик. Для веденного решения систем уравнений в частных производных использовалась ЭВП ЕС 1033.

2) При разработке принципиальных схем использован кодифицированный катод морфологических матриц.

3) При разработке базовых блочно-кодульных конструкций использованы методы теории упругости и сопротивления материалов.

4) При обработке результатов экспериментов использовались известные методы теории вероятностей и математической статистики.

Шучкая повпзпа.

Епервсе автором гш! при его непосредственной учасиш разработала:

1) иатематнческаа модель снстеш "источник сигнала - 1сг<!?.5 связи - управляешй объект", ошзсиваядая нестационарное процессы, возпикагвде в гидравлическом капала (полости колонны бурильных труб) при различных форглх управляли ишульсов долге-' п!*я и различи! к типах конструкций управляешь изхаянгюв, а тагосе работу саких ¡:е:гг:'п:сшв; •

2) методика дастапдаотюго упрзвхешш забойтзл! ижшсзта'П путем создания в бурильной гашише га.шульсов дазгзшгя килшзсти заданной форум;

3) принщншальга.ю схеьзл ряда управляема забойппх кехапиз-тов (переключателю потока, управляемы отгаюпнтелей двух тппоз - оииогштель-стабилквагор с еыдвизяюй опорой-центраторои п шгогопозиционный отклонитель с поворотным тяжелей), реалкзуп-щме предложенную методику дистанционного управления;

4) морфологическая патрица структурных элементов и осповап-ная на ней методика блочно-шлугь по го конструирования управгяо-шх забойных кехаиизшв из ут'фщироваииых фугащпоцаяьпнх бхо^ ¡сов и шдугей с отработкой их на базовых ¡гакстругацшх ;

5} экспериментальная установка для . исследования работн и свойств фушсциопальных блоков и модулей вабоШшх механизмов пщ различном сочетании неблагоприятных факторов, иоделируЕзя пэ-тсчностн изготовления и сборки, износ узлов, наклон отполз сква?.мны и загрязнения механизма.

Практическая ценность

Разработанные на основе теоретических и экспериментальны:: исследований практические рекомендации по конструировании вмес-

те с предложенной методикой блочно - модульного конструирования управлшешх забойных механизмов с отработкой блоков и модулей на" базовых конструкциях позволит резко сократить сроки опытно-конструкторских работ, избежать принципиальных ошибок при создании новых устройств, повысить их надежность.

Еа основе результатов исследований разработан и испытан ряд новых управляемых механизмов.

''.' Мяогопозпционный отюгонигель позволяет оперативно управлять траекторией сглагшны в процессе бурения, создавая в компоновке, подкоманде с поверхности, несколько Фиксированных углов искрив-•ления для различной интенсивности набора кривизны.

Отклонитель - стабилизатор с выдвижной опорой-центратором .позволяет, по команде с поверхности, набирать кривизну с заданной интенсивностью и стабилизировать набранный угол искривления.

Управляемый забойный переключатель потока жидкости дает возможность снизить гидродинамическое давление при спуске колонны в скважину и соответственно уменьшить вероятность гвдро-разрыва пластов, уменьшить зашламование турбобуров и износ винтовых двигателей.

Реализация работы в промышленности

С учетом рекомендаций полученных в результате исследований и стендовых испытаний изготовлены опытные образцы , внедрение которых ведется на предприятиях Западной Сибири.

1) Переключатель потока жидкости. Промысловые испытания на Агансши и Сакотлорскоы месторождениях в Западной Сибири показали экономический вйякт 90 тыс. руб. на один ГОШ.

2) Отклонитесь шюгопозищюнный управляемый. Ведется внедрение на предприятиях г. Нефтеюганска и г. Ыегиона.

Апробация работы

Оснсьлые положения работы докладывались на заседании секции Ученого Совета ВШ01ЕТ (декабрь 1984 г.). на расширенных коллоквиумах лабораторий гидравлики бурения, наклонно-направленного бурения, конструирования технических средств для научных и стендовых испытаний (1985-1989г.г.), на совместном совещании ПО "Томскнефть" и "ТомскНИШнефгь" (г.Томск, 10-14 марта 1989 г.), на НТО секции бурения Ш1 ВНТО им. Губкина "Техника и технология бурения наклонно-направленных скважин" (23 июня 1989 г.), на Всесоюзном семинаре по гидравлике буровых и тампонажных растворов (г.Ивано-Зранковск, 1988 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ. В том числе 4 статьи, 7 описаний к авторским свидетельствам на изобретения и заявкам, по которым получены положительные решения о выдаче патентов.

Структура и объем работы. ,

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы, содержащего 164 наименования и приложений. Диссертация изложена на 182 страницах, содержит 115 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 11 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность профессорш.» Р. А. Иоаннесяну, М. Т. Гусману и М. Г. Эскину, внимательно прочитавшим работу и давшим ряд ценнх замечаний и советов. Особую благодарность автор выражает профессору Ю. Е Вадецкому за большую помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, реализация ее результатов в прошшкшности.

В первом разделе обобщен отечественный и зарубежный опыт в области разработок дистанционно управляемых скважинных устройств. Проанализированы технические решения, содержащиеся в литературе, патентных описаниях, фондовых работах и рекламных материалах ведущих зарубежных фирм. Наиболее удачными конструкциями южно считать МЕСАШСАЬ ТЕЬЕРИОТЕ и ТЕЬЕР1ШТЕ-7300, разработки Французского института нефти, схемы отклонителей 011Ь 172 ВНШВТ и отклонителя ВашШШнефть.

Проведена классификация известных технических решений по типам схем исполнительных механизмов и по методам дистанционного управления. Проанализированы особенности работы и результаты испытаний различных конструкций и выбрано направление исследований. На основании анализа сделаны следующие выводы.

1) Одним из наиболее рациональных методов дистанционного управления многокомандными скважинными механизмами, в том числе находящимися на забое бурящейся скважины, в настоящее время мо-;:-эт считаться метод управления, с помощью создаваемых на поверхности гидравлических импульсов, в котором полость бурильной колонны, заполненная буровым раствором, используется, как гидравлический канал связи. Гидралический канал используется для передачи как управляющих сигналов, так и для передачи сигналов обратной связи;

2) В отечественной практике бурения не существовало, на ш-цент начала работы, конкретной методики дистанционного управле-

ния многокомандными скважишшш механизмами с помощью импульсов давления;

3) В отечественной буровой технике не существовало, на момент начала работы» достаточно работоспособных конструкций многокомандных с каминных механизмов, управляемых дистанционно импульсами давления. Суть технических решений, применяемых за рубежом, из доступных источников информации не известна.

Во втором разделе диссертации дается описание теоретического исследования работы забойных механизмов, управляемых импульсами давления.

Работу забойного механизма, управляемого гидроимпульсами, генерируемыми на поверхности, нельзя рассматривать обособленно, поскольку на нее влияют различные факторы, не относящиеся к самому устройству. Например, форма импульса, частота сигнала, глубина сква-таны, плотность и,вязкость жидкости, скорость звука в ней, величина гидравлического сопротивления за устройством.

Для формирования сигнала могут быть использованы специальные генераторы гидравлических ишульсов, как их называют в за- рубежной литературе - пульсары, или стандартное оборудование буровой: задвижка, насос, з т. ч. с регулируемым приводом. От конструктивных особенностей выбранного формирователя зависит форт импульса, его амплитуда и частота От параметров управляющего импульса давления, в свою очередь, должна зависеть конструкция управляемого забойного механизма, в частности, узла, воспринимающего импульс.

Шпульс может иметь трапецевидную или синусоидальную форму, которая характеризуется амплитудой, частотой.

В общем случае управляемый забойный механизм состоит из трех функциональных узлов:

- управляющий узел - воспринимает управляющий сигнал и выделяет его на фоне помех;

- переключающий узел - преобразует перемещение элементов управляющего узла в соответствующее команде состояние исполнительного механизма;

- исполнительный механизм - выполняет функцию, определенную назначением всего устройства.

:" При работе забойного механизма, управляемого импульсами давления, в гидравлическом канале связи возникают нестационарные процессы, которые надо учитывать при конструировании.

Например, при прохождении через управляющий узел механизма переднего фронта импульса давления, поршень опускается, сжимая пружину, и остается в таком положении. При прохождении заднего фронта импульса, поведение поршня не всегда столь определенно. Например, когда сопло перекрывается полностью, в трубе возможно резкое повышение давления (гидроудар) и, как следствие, опускание поршня и переключение механизма без команды с поверхности. Подобным образом могут воздействовать на поршень и отраженные волны давления, приходящие к соплу через промежутки времени, зависящие от глубины скважины и скорости звука в жидкости.

Для изучения этих процессов необходимо построить математическую модель, описывающую распространение сигнала по гидравлическому каналу связи, взаимодействие этого сигнала с управляющим узлом забойного механизма и расположенными за ним местными сопротивлениями, распространение и дальнейшую эволюцию отраженного сигнала.

Управляющий узел рассматривается как одна из составляющих математической модели, остальные узлы моделируются как гидравлическое сопротивление, расположенное за управляющим узлом, в

рамках системы, приведенной на рис. 1, где цифрами обозначены: 1. Насос; 2. Выкидная задвижка; ъ. Колонна; 4. Сопло; 5. Конический поршень; 6. Пру лота; 7. Элементы КНВК.

Неустановивиееся движение жидкости, возникающее в бурильной колонне при распространении сигнала, описывается уравнениями Чарного для давления и средней по сечению трубы скорости течения в функций от времени и продольной координаты В безразмерных переменных эти уравнения имеют вид (1).

^ М 9 0

ъв + эх " щ

г

гдеУ'/"~ безразмерная продольная координата (см. рис. 2), I -длина

/1

- колонны бурильных труб,<7г2— - безразмерное время, С -скорость звука в жидкости,безразмерное давление,^/? -плотность жидкости,|<?^£^ абсолютная величина начальной скорости течения безразмерная скорость¡Д»*^ - параметр диссипации, Р -кинематическая вязкость, - внутренний радиус буриль-» ных труб,<£^- число Рейнольдса, 7"= р ^х 1 - безразмерное касательное напряжение, определяемое из соотношения (2)

(2)

где Хс - коэффициент гидравлического сопротивления установившегося течения.

В качестве начальных условий для переходного процесса рассматривается стационарное течение. В безразмерных переменных начальные условия имеют еид (3)

Рис Л Схема моделируемой '.системы

'-V

Лч1 ?10| ■

--положение поршня

-----давление

вариант »..мчЛ <. .«и*>ч

С|. 0,7211; йр 40,3.1: С, • ЗДОгЮ"5;

6,- I

Рис.2 Изменение положения поршня и давления перед ним

МОРФОЛОГИЧЕСКАЙ МАТРИЦА структурный элементов механизмов,

УПРАВЛЯЕМЫХ ИМПУЛЬСАМИ Л./ЧПЛИ Я 1','Л

Рис. 3

К.« • ¡4

где^-безразмерное давление перед забойным механизмом при закрытой задвижке; /^-безразмерная скорость стационарного течения. Граничные условия на верхнем, конце гидравлического канала связи определены формой импульса давления и имеют вид "ступеньки" по давлению, описывающей задний фронт управляющего импульса (4). Такие ГУ соответствуют пульсару, для задвижки или насоса ГУ могут быть записаны в виде ступеньки по расходу (по скорости) , которая на нижнем гидравлическом сопротивлении дает ступеньку по давлению

где - - безразмерное давление на верхнем конце колонны бурильных труб; - безразмерное давление при открытой за-движе; ~ безразмерное время начала движения задвизжи;

& = с - безразмерное время окончания движения задвижки. * А

Граничное условие у забойного механизма может быть получено из уравнения движения поршня и уравнения течения жидкости черев управляющий узел. Приведение этого соотношения к безразмерному виду позволяет выделить в нем величины, относящиеся к конструкции механизма, в виде четырех характеристических параметров ¿Г* } С.Тогда связь, имеет вид (5)

(з)

где относительное положение поршня (6)

(6)

Ъ. ~ радиус сечения конического поршня, находящегося в критическом сечении сопла; £ - длина КНБК; ■ - безразмерное 'давление в призабойной зоне; конструктивные параметры:

О;- - характеризует сопротивление полости КНБК за уп-

V Т* Щ

равляющм узлом, ^ - коэффициент соответствующего местного сопротивления;

характеризует заострение поршня и жесткость пру-.жины управляющего узла, сС - половила угла конусности поршня, В - жесткость пружины;

л» 7 ^^

(I? _ ,,--характеризует отношение местных сопротивлений в

5 1м а* _

управляющем узле и за ним, - коэффициент местного сопротивления управляющего узла типа сопло-конус (игольчатый затвор) /> - ^

щ - "^г^ - характеризует соотношение размеров конического поршня и сопла.

- В- приведенной математической постановке система уравнений (1) с соотношением для касательного напряжения (£) при начальных условиях (3) и граничных (5) и (6) при Х=0 и (4) при Х=1 решается численно на ЭВМ. Было исследовано более ста вариантов с конкретными значениями глубины скважины,■ вязкости, плотности жидкости и конструктивных параметров. Результами расчета являются величины скорости и гидродинамического давления по глубине

скважины и по времени, а также значения отношения , характеризующего положение поршня от времени. Пример такого графика, для случая, когда возникает самопроизвольное опускание поршня под-действием отраженных воля давления приведен на Рис.2.

Была таювэ исследована конструкция с кольцевым поршнем и с демпфером. Определена зона эффективности демпфера Исследована конструкция с различными вариантами фиксаторов поршня. .

По результатам теоретических исследований были получены следующие рекомендации:

1) При любой форме импульса наиболее проста и удобна конструкция с неполным перекрытием сопла или кольцевым поршнем;

2) При необходимости полного перекрытия сопла в среднем положении поршня, для увеличения усилия на приводе целесообразно применять ступенчатый поршень;

3) В кинематической цепи, ■ в случае полного перекрытия сопла в верхнем положении поршня, следует предусмотреть люфт больший величины опускания поршня под действием ложных сигналов;

4) При недостаточности перечисленных мер, ввести демпфирующее звено, обеспечивающее возврат поршня в исходное положение после затухания волн давления в канале;

5) При одновременной установке в КНБК двух различных управляемых механизмов, один должен управляться трапецеидальными импульсами, второй синусоидальными с пиками давления;

6) фи установке одного механизма импульсы синусоидальной формы с "пиками" давления более рациональны, если позволяет оборудование буровой.

По результатам теоретических исследований была предложена методика дистанционного управления забойными механизмами путем-

создания импульсов давления трапецевидной или синусоидальной формы, с конкретными значениями амплитуды и частоты управляющих сигналов и видами сигналов обратной связи.

В третьем разделе диссертации приведена предложенная автором методика блочно-модульного конструирования управляемых забойных механизмов.

Основу методики составляет морфологическая матрица струк-', турных элементов, приведенная на Рис. 3, позволяющая синтезировать новые технические решения на уровне изобретений исходя из сочетаемости элементов различных строк матрицы по характеристическим' функциям входных и выходных звеньев. Шказана наиболее простая трехстрочная матрица. Однако разработана и используется более сложная пятистрочная матрица, верхняя строка которой содержит элементы, формирующие импульс, а нижняя - пятая - элементы формирующие сигнал обратной связи. Процесс синтеза схем • может быть автоматизирован с помощью ЭВМ с графическими станциями.

Примеры синтезированных схем приведены на Рис. 4; на Рис. 4а показан переключатель потока жидкости, синтезированный из элементов Эп , Эм, Зл матрицы. Цифрами на схеме обозначены: 1-корпус, 2-боковое отверстие, 3-клапан, 4-Шгок, Б-верхняя перегородка, 6-нижняя перегородка, 7-вертикальное отверстие, 8-боковое отверстие, 9-обратный клапан, 10-механизм переключения и фиксации, 11-корпус, 12-ось, 13-кулиса с фигурным вырезом, 14 -вилка, 15-коромысло, 16-поршень, 17-перегородка, 18-пружияа

,Ц?и воздействии управляющего импульса на пориень 16 он , опускается, вилкой 14 поворачивает кулису 13, которая коромыслом 15 переметает шток 4 с тарельчатым клапаном 3. В соответс-

а)

Принципиальные стеш управлясшх забоПгпгс ксхангзпов

а) переключатель потока жидкости;

б) отклопитсль кпогопозициояяы'1 управляет!':; в; отклонитсль-стабилпзатор управляемым;

г) управлявший узел с капздгяш (Ькксогоооя.

твии с количеством импульсов переключатель потока жидкости может пропускать жидкость внутрь колонны через боковое отверстие 2, удалять жидкость со шламом из полости колонны, пропускать жидкость в двигатель (турбобур) через продольное отверстие, закрывать оба отверстия при возрастании затрубного давления или возникновения сифона.

Для выполнения всех перечисленных операций и, дополнительно, для опрессовки полости колонны, на базе элементов матрице З13 , Э«,ЭМ синтезирована схема трехпозиционного переключателя потока жидкости.

На Рис. 46 показана схема отклонителя - стабилизатора управляемого, синтезированного из элементов матрицы , Эа, , Э,1. Цифрами на схеме обозначены: 1-корпус, 2-отверстие, 3-уп-равляквдй узел (корпус), 4-переключащий узел, 5-отклонявдий . узел (корпус), 6-сопло, 7-подпружиненный поршень, 8-кулиеа, 9-вилка, 10-шатун, 11-опора-центратор, 12-поперечный поршень, 13-рессора, 14-шток, 15-подпружиненный клапан, 16-средораздели-тель, 17-фиксатор, 18-пружина

При воздействии управляющего импульса на поршень 7 последний открывает или закрывает клапан 15. В соответствии с чем опора-центратор 11 занимает симметричное т.е. центрирующее положение относительно корпуса 1 или ассимметричное, т.е. отклоняющее положение.

На Рис.4в показана схема ыногопозиционного отклонителя управляемого, синтезированного из элементов матрицы Э,,, ^ Цифрами на схеме обозначены: 1-корпус, 2-верхний переводник, 3-верхняя секция, 4-средняя секция, 5-нижняя секция, 6-поршень, 7 -пружина, 8-полый вал, 9-канавка, 10-направляющие элементы, 11-

шарнирное соединение, 12- шлицевое соединение 13-уплотнительный элемент, 14-полость переменного объема, 15-отверстие, 16-про-дольные части канавки, 20-ступень,-ки, 22-уплотнение поршня, 23-средоразделит-ель, 24-полость постоянного объема с компенсатором давления, 25-нажимная втулка, 26-рычаги, 27-опорная втулка, 28-оси рычагов, 31-конус фиксатора, 32-цилиндрическая втулка, 33-кольцевая канавка, 34-шарики, На Рис. 4г показан вариант фиксатора с манжетой, соответствуюшяй элементу ¡^матрицы. Цифрами обозначены: 35-элаетичная манжета, Зб-кольцевой выступ, 37-канал.

Бри воздействии пика давления на поршень 6 фиксатор освобождает его, и поршень б опускается. При этом направляющие элементы 10 поворачивают полый вал 8 и через шлицевое соединение 12 нижнюю секцию 5. Шсю-льку шарнирное соединение 11 имеет наклон оси вращения, нижняя секция 5 при повороте отклоняет свою ось от оси корпуса 1. При повороте на 180 градусов отклонение максимально, при повороте на 360 градусов минимально.

Таким образом, на основе использования элементов матрицы, имеющих заранее известные свойства, можно получить схемы управляемых механизмов заданного назначения с известными свойствами, что позволяет избегать ошибок на стадии создания принципиальных схем.

В четвертом разделе дается описание экспериментальных исследований. Забойные механизмы, управляемые импульсами давления жидкости в бурильной колонне, являются относительно новым классом устройств в отечественной буровой технике. Изучение их особенностей сразу на готовых конструкциях в практическом бурении потребовало бы больших затрат времени, средств и, кроме того.

- го -

ае дало бы всесторонней картины работы указанных механизмов, ак как достаточно велика вероятность того, что при испытаниях нефтепрошслах не возникнет случайное сочетание условий, приводящее устройство к отказу или к выходу из строя.

Задача экспериментальных исследований состоит в том, чтобы ; эксперименте смоделировать все возможные сочетания условий ¡аботы, в том числе и самых неблагоприятных. Это необходимо для создания схем реальных работоспособных конструкций. Основу конструкций составляют функциональные блоки и модули, соответствующие структурным элементам морфологической матрицы.

Для таких исследований была создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать комплекс неблагоприятных факторов: углы наклона скважины от 0 до 90 градусов; неточности изготовления и сборки от 0,25 мм до 50 мм; износ деталей кинематической цепи от 0,25 мм до 10 мм; загрязнение механизма песком и мелким шламом с размером частиц до 5 мм в среде глинистого раствора. При этом, для надежной регистрации входных воздействий и выходных параметров производится запись двух каналов одновременно на ленту шлейфового осциллографа и подсчет числа полных циклов с помощью механического счетчика. Установка позволяет производить ускоренные исследования с интенсивностью до 0,5 цикла в секунду (при отсутствии демпфирующих элементов в объекте).

В результате экспериментальных исследований установлено, что все функциональные блоки, соответствующие элементам матрицы, работоспособны. Плоские кулисные механизмы практически не чувствительны к загрязнению на всех углах наклона скважины, однако предъявляют повышенные требования к точности изготовления

и сборки. При неточностях порядка 5 ш начинались сбои в работе. Цилиндрические механизмы менее чувствительны к неточностям изготовления и сборки, мало чувствительны к загрязнению в вертикальных скважинах, однако сильно реагируют на загрязнение в наклонных скважинах. 1Ь результатам исследований рекомендовано применять в конструкцях управляемых устройств цилиндрические механизмы,размещенные в герметичной маслонаполненнной полости.

В пятом разделе диссертации описана практическая реализация результатов работы в промышленности.

На основе отбора наиболее простых и надежных из числа экспериментально исследованных блоков были изготовлены три конструкции. Переключатель потока жидкости изготовлен Опытным заводом БНййБТ (г.Котово), отклонигедь многопозиционный управляемый - Экспериментальны},« заводом ВНИЙВТ (г.Люберцы). При изготовлении использовались легированные стали 40ХК2МА; 20ХН; 40Х, традиционные методы упрочнения поверхности и термообработки: цементирование, хромирование, закалка ТВЧ. Основное покрытие деталей - химическое фосфатирование с яромасливанием, Материал уплотнений - резина ИРБ1294. Однако, в целях повышения надежности и долговечности работы механизмов, предполагается использование "высоких технологий" - ионная и>,(плантация вольфрама для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости; электрохимическое фрезерование - для снижения концентрации напряжений и повышения усталостной прочности шлицевых соединений и винтовых канавок; композиционные уплотнительныэ материалы - для снижения износа уплотнений в абразивной среде при высоких температурах.

Все три конструкции были испытаны на буровых стендах Пова-

ровского Отдела стендовых испытаний. Для испытаний в компоновку над турбобуром и долотом с гидромониторными насадками устанавливался управляемый забойный механизм (ППЖ, ОМУ или ОСУ) и создавались импульсы давления заданной формы. Параметры бурения выводились на многоканальное пишущее устройство Н327-5 и фиксировались на ленте.

Задача испытаний - подтвердить работоспособность конструкций управляемых забойных механизмов и предложенной методики дистанционного управления.

В результате стендовых испытаний подтвердились выводы теоретических и экспериментальных исследований, работоспособность всех трех конструкций и практическая применимость двух вариантов методики дистанционного управления - с трапецевидными импульсами и пиками давления. Подтвердилась эффективность демпфирующего звена в случаях кратковременных всплесков давления и расхода при запуске бурового насоса и отраженных волн давления при срабатывании устройства. Подтвердилась возможность использования амплитудной модуляции давления жидкости в качестве сигнала обратной связи о срабатывании устройства. Например, у переключателя потока шдкости давление по манометру напорной магистрали в режиме "бурение" 10 МПа, а в режиме "промывка" 3 Ша. Переключатель потока жидкости был направлен для промысловых испытаний в Западную Сибирь, где была определена его экономическая эффективность в пределах 80 - 90 тыс. рублей на одно устройство, или, с учетом потребности 8-12 устройств на одно предприятие, предполагаемый эффект ожидается в пределах 800-900 тыс. рублей в год.

Основные вьшоди

1. Разработана математическая'модель и теоретически исследована, работа системы "источник сигнала - гидравлический канал связи - управляемый механизм". Сформулированы требования к форме, амплитуде, частоте управляющих ш.¡пуль сов и к конструктивном параметрам управляемых механизмов. ' .

2. Предлогвпа методика дистанционного управления забойт&ЕГ механизмами путем создания серии трапецевидна или синусоидальных импульсов давления с передачей управляадэго сигнала и сигнала обратной связи по столбу жидкости в бурильной колонне.

3. Предложена морфологическая матрица структурных элементов и основанная на ней методика бдочло-модульного !«знструирования, позволяющая создавать новые управлзтэше механизмы заданного назначения на основе отработанных Фугаощональных блоков с известными свойствами и иадеягосгыз.

4. Создана экспериментальная установ:®, позволявшая моделировать совокупность неблагоприятных факторов: наслои скваяшы, неточности изготовления и сборни, - износ и загрязнение механизма, На установке экспериментально исследованы свойства функциональных блоков разрабатываемых вднстругащ;!

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны, промышешю изготовлены и успесно испытаны три разлячггых типа забойных механизмов:

- переключатель потека жидкости, позволявший снизить гидродинамическое давление при спуско-подъемных операциях, укеньпить заиламование и износ турбобуров и винтовых двигателей;

- откгонптель 1"1огопозищ5онннй управляем^, позволяю/до!. оперативно управлять траекторией, задавая несколько углов иск-

ривления по команде с поверхности;

- отклонитель-стабшизатор управляемой, позволяющий оперативно управлять траекторией с заданным радиусом искривления и стабилизировать набранный угол по команде с поверхности.

6. Экономический зффзкг от применения переключателя потока зэдкости по результатам испытаний в Западной Сибири составляет 80 - 90 тыс. рублей на одни устройство, или 800 тыс. рублей в год на одно предприятие.

Основные наложения диссертации опубликованы в следующих работах:

' 1. Устройство для управления потоком жидкости в бурильной колонне. Авторское свидетельство СССР N 1243419, М. кл. Е21в21/ 00, 1984г. (совместно с Залгашым С. Л.), д. с. п.

2. Способ сравнительной оценки анизотропии механических свойств. Авторское свидетельство СССР N 1385015, Е кл. 601 N3128, 1985г. (совместно с Шташиковым В. Д. , Байдвком Б. К Васильевым 1йС. и др.).

3. Обгонная муфта забойного двигателя. Авторское свидетельство СССР К 1513980, 1986г. (совместно с Залкиным С. Л), д.с. п.

4. Математическая модель забойного механизма, управляемого импульсаьзг давления. - II , ШИЖХЭНГ, 1988 - 18с. -Деп. во В1Ш-ПОЭНГ'е 07.02.89 Ы1691-нг89 (совместно с Вадецким ЕВ., Розен-берг а Г.).

5. Обгонная муфта турбобура. Авторское свидетельство СССР N 159053-1, 1988г. (совместно с Залкиным С. Л. , Либерманом К И.), д. е. п.

6. Математическое моделирование при разработке устройств, упракяяемш: по гидравлическому каналу связи. Информационны»

сборник Путаная а*газсг.аз прогзггзнкосгь - II, ШГШОЭНГ, .1891. вкл.б. - .7-13 (сочетает с Гзлзцгсж! НЕ, Розекборг ИГ.

7. Еовкэ ш-иязксы' тезотчс-сках срздств для бурения направ-лзнпах сквалш. .г5:;;хзр:,'лш:ошпД сборке:* ШОгшгая I. газовая про-глжеяпоегь - И, ЕГИЙИГ, 1291, гкл.11. - с. 13-15.

8. "зтолпка бл)чпо-;:одульпого иоссгрукрованла управляешь сквагяшгаа: устройств. йфрмашоппсЗ сборагк Пефтяназ и газовая про^гахенпость - ¡1ШЖОеЕГ, 1091, вы. 12. -с. 22-30.

о. Усгройзгзо лля пгпрзз-гнпого бурекп «шалав. Рег:энг?а ГосуларствеяноЯ патентной экспертиза о щцачо патента по заяв.*се .! -^97216/03/124251 от 23.12.1990г. !1о. Е21В7/08. ■

10. Устройство дгя огкгошшя трасшюрап скважины, управляете гидрок?.тулъса:.::!. Рсгешю Государственной патентной зкепер-•лгзи о вндачэ патента то заявке Н 4897222/03/124243 от 23.12.1990г. 1.1 гл. Е21В7/03.

11. Механизм оптового прягола врацзнля для управляемых сква-;:зших устройств. Рсюткз Гесулзрствешюй патентной зкеизрииы о авдаче патента по пет?поз Н -1637224/03/124249 от 28.12.1990г. К кя. ЕЕ1В7/08. :'

По;;г:;со1Ю з печать 15.04. 92г. Зак. о4 Тир. 100

Ротапринт ВШ-1!ВТ