автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Использование спектрально-корреляционного анализа осевой нагрузки и разработка технических средств для улучшения работы турбобуров

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФВДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НИТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. » | О

ЗАИКИНА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРВДСТВ ДЛЯ УЛУЧШЕНА РАБОТЫ ТУРБОБУРОВ

05.04.07 - Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1994

, - % 1 1

Работа выполнена на кафедре нефтепромысловой механики Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шпемгужин Е.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

член-корресповдент АНРБ Кагарманов Н.Ф,

кандидат технических наук, доцент Подавалов Ю.А.

Ведущее предприятие - Уфимское управление буровых работ ПО "Башнефть"

Защита состоится " 24 " июня 1994 г, в 10 часов на заседании диссертационногр совета К 063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, I.

С диссертацией можно ознакомиться в техархиве УГН1У. Автореферат разослан " ЦЦ" мая 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд. техн. наук, доцент

¿и

В.П.ШУЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Осевая нагрузка, необходимая для разрушения горной породы, во многом определяет, эффективность бурения скважин и рациональное использование турбобуров, другого забойного оборудования. Необоснованное уменьшение осевой нагрузки приводит к снижению показателей бурения, чрезмерное увеличение - к преждевременным отказам забойных двигателей, долот, бурильных труб.

При бурении глубоких наклонных скважин, из-за большой протяженности поверхности контакта бурильной колонны со стенками скважины, становится неопределенным истинное значение осевой нагрузки,, передаваемой на забой скваяины, Необходимость оперативного определения непосредственного значения нагрузки на долото особенно возрасла в связи с существенным увеличением объема горизонтального бурения.

Важную роль играет знание осевой нагрузки при оценке динамики, расчетах на прочность и выносливость забойных двигателей, установлении их надежности, совершенствовании конструкции и условий эксплуатации.

Цель работы. Улучшение работы турбобуров путем совершенствования контроля их технического состояния с использованием спектрально-корреляционного анализа осевой нагрузки. Разработка рекомендаций и технических средств для повышения надежности турбобуров.

Основные задачи исследования.

Анализ передачи осевой нагрузки с устья скваяины до г=абоя с использованием передаточной функции при линейной, нелинейной с зазором, нелинейной с кусочно-линейной характеристикой системах и оценка изменения частоты собственных колебаний низа бурильной колуны при различных осевых нагрузках.

Спектрально-корре^иционный анализ нагруженности турбобура и

разработка способа определения осевой нагрузки. •

Статистическая обработка спектров осевой нагрузки и давления промывочной жидкости и составление диагностической матрицы для оценки технического состояния турбобура при бурении.

Разработка метода определения числа резервных турбобуров с заданной вероятностью при бурении сквакин.

Разработка рекомендаций и технических средств для совершенствования "конструкций турбобуров и улучшения условий их эксплуатации.

Научная новизна.

Аналитически описана особенность передачи осевой нагрузки на забой скважины при нелинейной с зазором, нелинейной с кусочно-линейной характеристикой моделях низа колонны для соответствующих конструкций турбобуров; Наибольший всплеск колебаний для нелинейных систем отмечен в области 1,5 Гц.

Расчетами установлено уменьшение частоты собственных колебаний низа колонны с ростом осевой нагрузки на турбобур.

Показаны особенности корреляционных функций и спектров давления промывочной жидкости при различных осевых нагрузках на забой. Отмечено, что преобладающая частота процесса снюхается с увеличением осевой нагрузки, с ростом коэффициента вариации уменьшается интервал корреляции.

Обоснованы технические решения при создании методов оценки технического состояния турбобуров в скважине и улучшения условий их эксплуатации.

Практическая ценность.

Разработана диагностическая матрица для оценки технического состояния турбобуров при промысловых испытаниях измерительно-вычислительного комплекса "Спектр" на буровых площадях.Нефтекамском УБР ( "Акт о результатах промысловых испытаний по применению измерительно-вычислительного комплекса "Спектр" ).

Внедрено в Нижневартовском УБР № 2 ПО "Нижневартовскнефтегаз" и ЦБПО ПО "Тюменбургаз" "Руководство по эксплуатации турбобуров с использованием вероятностно-статистических методов".

Номограмма для определения числа резервных турбобуров с заданной вероятностью включена в "Инструкцию по определению необходимого количества турбобуров при бурении скважин" ( внедрена в ПО "Ноябрьскнефтегаз" ) и в "Инструкцию по сборке и эксплуатации турбобура ТПВ-Ю2И < КЕБ "Азимут" ).

"Инструкция по сбору статистического материала и его обработке при эксплуатации бурового оборудования" передана ПО "Тюменбургаз".

Диагностирование с использованием спектрально-корреляционного анализа, диагностической матрицы, номограмма для определения числа турбобуров используется в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета при подготовке студентов специальностей 1702 и 2901.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Республиканской научно-технической конференции "Проблеш нефти, и газа" ( г. Уфа, 1968 ), Всесоюзной конференции "Механика горных пород" ( г. Гроэный-Агой, 1968 ), 40-Й лаучно-тех-нической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии "Вклад молодежи Башкирии в решение комплексных проблем нефти и газа" ( г. Уфа, 1939 ), 2-Й научно-практической конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР1, ( г. Мурманск, 1989 ), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы строительства скважин на нефть и газ предельно малого диаметра" ( г. Красноярск, 1990 ), 41-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии "Вклад молг -дежи Башкирии в решение комплексных проблем нефти и газа" ( г. ¿'фа.

1990 ), Всероссийской студенческой научной конференции "Роль студенческой молодежи в ускорении научно-технического прогресса в-нефтяной и газовой промышленности'" ( г. Уфа, 1990 ), Международной конференции "Механика горных пород при бурении" ( г. Грозный-Агой, 1991 ), 44-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии ( г. Уфа, 1993 )»

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 25 публикациях, включая 6 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, выводов, списка литературы, изложенных на 150 страницах, включая 30 рисунков, списка литературы из 384 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе представлен обзор исследований о передаче осевой нагрузки при турбинном бурении. Изучению различных аспектов передачи осевой нагрузки при турбинном бурении посвящены работы Александрова М.М., Алексеева Я.А., Балицкого П.В., Балицкого В.П., Бикчурина Т.Н., Вальдмана ИЛ., Векерика В.Л., Габдрахимова М.С., Григулецкого В.Г,., Гулизаде М.П., Гусмана Ы.Г., Иоаннесяна P.A., Иоаннесяна D.P., Кагарыанова Н.Ф., Калинина А.Г., Керимова З.Г., Копылова В.Е., Лебедева Н.Ф., Мявлотова М.Р., Мирэаджанзаде А.Х., Огороднинова П.И., Попова А.Н., Спивака А.И., Султанова Б.З., Шумилова И.П. и многих других.

Ввделяются следующие направления исследований, где действие осевой нагрузки является определяющим: механика разрушения горных пород; совершенствование конструкции долот; выбор рациональных режимов бурения; устойчивость бурильной колонны и забойного двигателя, взаимодействие колонны со стенками скважины, прохождение колонны по

стволу, характер вращения, оценка фактической нагрузки на долото; проводка скважины по заданному профили, предупреждение искривления скважин; динамика забойных двигателей, долох1 и бурильных труб; расчеты на прочность, выносливость бурильных труб и забойных двигателей; совершенствование конструкций двигателей, бурильных труб, различного вспомогательного оборудования;оценка надежности турбобуров, бурильных труб, совершенствование условий их эксплуатации.

С изменением осевой нагрузки меняется моментная характеристика турбобура, причем с ее увеличением растет значение момента и снижается число оборотов двигателя. Сложен режим нагружения.осевой опоры, с износом которой возрастает виброактивность турбобура.

До конца не решенной задачей является выбор осевой нагрузки на забой, определение ее истинного значения, особенно в горизонтальных и сложного профиля скважинах.

Неопределенность в оценке осевой нагрузки, технического состо. -ния долота, турбобура вызывает снижение технико-экономических показателей бурения, недоиспользование их ресурса, привлекает внимание исследователей к разработка методов диагностирования забойного оборудования.

Рассматривая изменение нагрузки в процессе бурения как случайный процесс, остановимся на вариантах передачи осевой нагрузки на долото при случайных воздействиях.

Передача осевой нагрузки на долото связана с управлением при неполной информации в условиях неопределенности, которая отражает различные исходные технические состояния долота, забойного двигателя, компоновки низа колонны, профиль и форму ствола скважины. Неопределенность также вызвана меняющимися в процессе работы долота фиэико-механическими свойствами горных пород и выработкой ресурса эабсйно-

го оборудования.

Для оценки изменение спектра колебаний осевой нагрузки на забое и на устье скважины были обработаны записи осевой нагрузки в вертикальной скважине, приведенные в работе Грачева Ю.В., Ва^ гамова В.П. Анализировались нормированные и мгновенные спектры колебаний осевой нагрузки на забое и устье скважины. Было установлено, что в относительно неглубоких вертикальных скважинах в области инфранизких частот на устье и забое спектры отличаются незначительно, что подтверждает возможность по колебаниям бурильной колонны на поверхности оценивать колебательные процессы на долоте.

Рассмотрены некоторые варианты передачи осеьой нагрузки при случайном воздействии для линейной и нелинейной постановках задач.

Уравнение движения объекта при воздействии случайной нагрузки

тх +с(* * /ЭД « у°Г/;,

где Л - масса объекта; <* - коэффициент вязкого трения; упругая восстанавливающая сила; Р(^) - случайная нагрузка.

Для линейной системы

ту *СХ , соответствующей в первом приближении одноразмерной колонне.

При нелинейной системе с зазором

- СХ при |а| 9с( где с{ - зазор между осевши опорами турбобура, здесь С - жесткость корпуса турбобура. Данная схема соответствует серийному турбобуру.

Для нелинейной системы с кусочно-линейной характеристикой при |л|<с/ Р(х)=оа при \х\>с[ (с^-с)с[> . зазор между

осевыми опорами, С и С^ жесткость вала и корпуса турбобура соответственно. Эта схема соответствует турбобуру по а.с. № 1563280.

Спектр силы, передаваемой на долото равен

$¿(10) = | 5р (и)) с (I)

здесь

Зу(и) (и)) } % (ч>) -- 1 £ (¿и)\*8р Си),

где - соответственно спектральные функции реакции

на долоте, нагрузки на входе ( устье ), скорости, перемещения; РцС^} - передаточные функции силы и перемещения.

Квадрат передаточной функции для линейной системы

для нелинейной системы с зазором

\Ъ<*>)\ 2 = -(т—г~, (3)

(Ь-/пи)*)л + п*

при нелинейной системе с кусочно-линейной характеристикой

/й. Л

( о

Выше ~ статистический коэффициент усиления нелинейного звена по случайной составляющей; Ь'С//П • р>»/с//7? ') 2/1

В формуле С 4 ) с(7 + Си"С )

/? * ——————— - ■ »

пх

Для передаточных Функций (2), (3),(4) были сосчитаны спектры воздействия на долото ¿а для турбобура ЗТСШ1-195 при спектрах воздействия Яд - "белый шум" и ^ при узкополосном процессе с корреляционной функцией вида <4 = ^ , гдо 2> ~ дисперсия случайной функции, - коэффициент затухания, $ -преобладающая частота процесса.

Расчеты показывают, что для линейной системы наибольший всплес.с колебаний наблюдается в области ~100 Гц, а для нелинейны систем в области ~ 1,5 Гц, т.е. в режиме "плавающей1 пяты, что согласуотся

с промысловыми результатами.

Расчеты также показали, что существенное влияние на изменение свойств колебательных систем стержневого характера оказывает продольная сила за счет изменения собственной частоты колебаний стерж-

«

ня. При продольной сжимающей силе, равной нулю, собственная частота колебаний максимальна и стремится к нулю при увеличении значения продольной силы до критического значения. Расчеты проводились с учетом угла искривления скважины.

Таким образом, путем изменения ( регулирования ) осевой нагрузки может меняться частота собственных колебаний стер-ня ( турбооур, бурильные трубы ). Это обстоятельство имеет важное значение при борьбе с вредными последствиями вибраций, а также для случаев полезного их использования при бурении.

Анализ спектральных плотностей осевой нагрузки при бурении показывает, что спектральная плотность отражает изменения, связанные с техническим состоянием долот, забойных двигателей, компоновок низа колонны.

Обработка диаграмм индикатора веса буровой установки, данных станций АСПБ на буровых в Ьападной Сибири, республики Татарстан, собственные исследования автора выявили следующие особенности спектров осевой нагрузки. Так, наиболее динамичным является случайный процесс типа "белый шум''. "Белый шум" возникает при работе изношенным долотом по забсю, разбуривании твердых пород и работе долот по металлу. При этом, как показывает опыт, существенно сокращается ресурс турбобуров, снижается долговечность осевых опор.

Отличается спектр в начале и конце долбления. Износ вооружения и опор долота, опор шпинделя делает спектр более широкополосным, апектр смещается в область более высоких частот, увеличиваются дисперсия осевой нагрузки, коэффициент вариации, динамическое воздей-

и

ствие на забойный двигатель.

Наряду с анализом непосредственно спектра осевой нагрузки,.учитывая связь осевсй нагрузки, действующей на турбобур, с его гидравлической характеристикой, оценивалась возможность в качестве источ-

мывочной жидкости,

С целью изучения влияния осевой нагрузки на изменение пектра давления промывочной жидкости был выполнен анализ записей давления промывочной жидкост*! при бурении скважин с использованием турбобура. Обработка диаграмм проводилась на ЭШ с использованием, программы, разработанной автором.

В табл. I приведены результаты обработки записи давления промывочной жидкости по скв. 21833 ( площадь Ерсубайкино, долбление № 4, .забойный двигатель ЗТСШ1-195 I? 4723 ).

Изменение преобладающей частоты спектра давления промывочной жидкости при изменении осевой нагрузки на долото

ника забойной информации использовать также колебания давления про-

Таблица I

Нагрузка на долото, кН

Преобладающая частота

Интервал, м

спектра давления промывочной жидкости, т о

926 - 934 888 - 896 902 - 908 896 - 902 934 - 940 908 - 916 916 - 926

99,4 108,8 113,1 122,3 124,8 136,0 147,0

0,44 0,37 0,28 0,26 0,25 0,24 0,20

Из таблицы видно, что каждому значении нагрузки соответствует некоторая преобладающая частота спектра промывочной жидкости и с

увеличением нагрузки на долоте преобладающая частота уменьшается.

По скв. 31025/1413 ( пл. Самотлорская ПО "Нижневартовскнефте-геофиэика" ) получены аналогичные зависимости изменения преобладающей частоты р от осевой нагрузки. С увеличением коэффициента Ы , хррактеризующего ширину спектра и отражающего техническое состояние долота и забойного двигателя, зависимость осевой нагрузки от преобладающей ч^атоты становится менее явной. Отмечается зависимость между коэффициентом вариации осевой нагрузки и интервалом корреляции. С уменьшением интервала корреляции процесс приобретает более случайный характер, о чем свидетельствует рост коэффициента вариации.

Для оценки технического состояния забойного оборудования на скв. 3125 Нефтекамского .1ГБР ПО "Баднефть" при бурении интервала 453 - 923 м непосредственно на буровой проводилась запись колебаний давления промывочной жидкости. Для этого на манифольдной линии был установлен датчик давления жидкости типа Д-16Б, связанный кабельной линией с вольтметром В1-27, с помощью которого регистрировались колебания давления бурового раствора. Одновременно велось наблюдение за осевой нагрузкой, теуническим состоянием забойного бурового оборудования ( турбобура, долота ). Обработка данных производилась на ■ ЭВМ по программе, разработанной автором. Отмечено,, что наиболее оптимальный режим работы системы "турбобур-долото" достигается к середине долбления. Отчетливо ввделяется уэкополосной спектр. К концу бурения спектр уменьшается - увеличивается его ширина и преобладающая частота смещается в область более высоких частот.

Во втором разделе диссертации осуществлен выбор критериев оценки технического состояния турбобура. В работах Е.И.Мшемгужина, Ф.Ш.Забирова, В.В.Шайдакова, В.У.Ямалиева подробно изложены принципы выбора критериев оценки технического состояния турбобура при спектрально-корреляционном анализе. В основе рассмотренных алпрок-

симаций лежит использование, друх параметров. Это - параметр Ы. , характеризующий степень затухания корреляционной кривой и параметр Р - средняя частота процесса.

Перечисленные критерии использовались при разработке.методов диагностирования турбобуров в а.с. 1555469, 1629455, 1696686.

По а.с. 155469 диагностирование технического состояния осевой опоры забойного двигатбяя осуществляется непосредственно в скважине. Для этого бурильный инструмент приподнимается над забоем и фиксируется эталонная спектральная плотность. В последующем текущее значение спектральной плотности колебаний давления, характерной для осевой опоры забойного двигателя в определенный момент времени, сравнивается с эталонным и принимается решение. Очень важным является то, что из рассмотрения исключается долото и различные по буримости горные породы и спектр колебаний давления будет характеризовать техническое состояние осевой опоры забойного двигателя.

В а.с. 1629455 предлагается сравнивать отношение коэффициентов вариации в процессе долбления к коэффициенту вариации ^ в начле долбления с эталонным значением, по которому можно диагностировать техническое состояние осевой опоры турбобура: превышение текущего отношения над эталонным значением говорит о пре-

дельном состоянии осевой опоры.■

По а.с. 1696686 при бурении на стенде или в вертикальной скважине производят попеременное изменение параметров процесса бурения. Измеряют при этом колебания давления промывочной жидкости и определяют спектральную плотность колебаний. Эту спектральную плотность фиксируют в качестве эталонной. Далее в процессе бурения наклокнс-направленкьчс и горизонтальных скважин определяется текущая спектральная плотность колебаний давления промывочной жидкости и сравнивается с эталонной. Критерием достижения требуемой величины определенного

параметра процесса бурения при фиксированном значении других служит совпадение текущего и эталонного значений спектральных плотностей.

Процесс обработки информации сводится к следующему. Данные о колебаниях давления промывочной жидкости преобразуются в электрический сигнал с помощью тензодатчиков. Непрерывный электрический сигнал : датчиков преобразуется в дискретный, а затем в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя. Цифровой сигнал поступает на вычислительную малину, которая обрабатывает сигнал .о одному из алгоритмов преобразования Фурье и выводит на печать значение спектра. Алгоритм работы вычислительной машины предлагает дальнейшее сравнение текущих и эталонных значений спектральных плотностей. Информация о параметрах режима бурения, полученная с помощью данного способа, является достоверной, так кг- на нее не оказывает влияния профиль скважины.

Наряду с сравнением текущего спектра с эталонным в диссертации предложено использовать метод Байеса и диагностическую матрицу. При составлении диагностической матрицы ( см. табл . 2 ) использовались следующие параметры нормированного спектра: ширина спектра № , преобладающая частота р , высота спектра 5, коэффициент затухания и коэффициент вариации случайного процесса.

Предлагаемая диагностическая матрица отличается от матрицы, разработанной Ишемгужишом Е.И. тем, что в последней использованы критерп», характеризующие техническое состояние турбобура ( осевой, радиальный люфт, момент при верхнем и нижнем положении вала ). По этой матрице заключение о техническом состоянии можно сделать только осуществив подъем двигателя на поверхность.

По составленной матрице вывод о состоянии забойного двигателя делается, не осуществляя его подъема, а заложив в ЗШ данные по матрице и фиксируя непосредственно при бурении спектр колебаний. Нужно

Таблица 2

Вариант диагностической матрицы для оценки состояния турбобура по нормированному спектру случайных колебаний

*

мин /У/ нин~ 1 с/, нон -/

К, 4 4 4/ ¿22 4, 4/ 4 4/ ¿хг 4з

ЦК Щ22 ¿3,20 ЦзР ¿¿¿У цт ■¡-0,150

ч? \ ' \ ^ \

£ £ * $ £ N о. О. * 5?

Е4 0,75 0,То 0,09 0,6С 0,25 0,15 0,80 0,15 0,05 0,78 0,14 0,08 0,62 0,22 0,16 4 0,21 0,29 0,50 0,15 0,24 0,61 0,15 0,£8 0,47 0,12 0,24 о,64 0,14 0,21 0,65

отметить, что диагностическая матрица может быть использована для тех условий, для которых собран статистический материал. •

Принципиальная возможность диагностирования машинного агрегата "долото-турбобур" по стохастическим колебаниям с использованием корреляционной размерности изложена в а.с. I8000II.

В даже сравнительно простых технических системах в зависимости от их состояния без видимых случайных источников возможны сложные непредсказуемые движения. Несмотря на явные преимущества спектрально-корреляционного анализа при диагностировании технических систем в ряде случаев что-либо' трудно сказать об источнике, его породившем. Является ли сигнал шумовым или это сигнал - продукт деятельности некоторой системы, хотя бы и весьма сложной.- Если каким-то образом удается определить размерность этого сигнала, то проблему можно решить. Идея обработки записи,стохастических и хаотических колебаний для диагностирования породораэрушаюцего инструмента и турбобура и используется в а.с. I8000II. В качестве критерия работоспособности

системы "долото-турбобур" принимается величииа ... ,

где j)^ - корреляционная размерность временной реализации случайных колебаний "бурильного инструмента текущего состояния; Р2 - корреляционная размерность временной, реализации случайных колебаний бурильного инструмента при новом долоте.

Величина Р определяется через корреляционный интеграл по наклону зависимостей ьсаj от ¿п£

гдг V~(z) -функция Хевис&йда, X¿ - вектор, описывающий положение изображающей части в фазовом пространстве в момент времени 1¿ • t0 + + iT , Г - некоторый промежуток времени; N - число выборок.

Величина СС£) определяет относительное число пар точек, расстояние между которыми не более <5.

Предложенный критерий дополняет другие методы косвенной оценки состояния бурильного инструмента.

Третий раздел посвящен определению числа резервных турбобуров при бурении скважин, разработке технических средств для совершенствования конструкции турбобуров и улучшения условий его эксплуатации.

Сложные условия, в которых работает забойный двигатель, является одной из причин его низкой наработки до отказа, что вызывает необходимость создания резервной группы турбобуров на буровой. Особенно важное значение эта задача приобретает при буреник отдаленных скважин, характерных для условий морского бурения и труднодоступных нефтяных районов. Обоснованное определение числа резервных турбобуров позволяет сократить транспортные расходы, обеспечить рациональное распределение турбобуров по буровым, будет способствовать сове^-венствовшто) организации обслуживания и расхода запасных частей.

Рассмотрим следующую модель функционирования группы турбобуров. Выделенная группа насчитывает какое-то количество исправных турбобуров. В случае отказа турбобура используется любой турбобур, взятый случайным образом из резерва. Восстановление отказавших двигателей за время функционирования не производится.

При решении задач, связанных с вопросами массового обслуживания, ванное значение имеет правильный выбор критериев, которые характеризуют изучаемый процесс. Одной из характеристик системы обслуживания является вероятность безотказной работы.

Вероятность безотказной работы группы забойных двигателей рекомендуется определить, применив схему "гибели и размножения", математическая модель которой позволяет учесть изменение суммарной интенсивности отказов резервированной системы при переходе из одного состояния в другое.

В случае, когда интенсивность отказа турбобуров, находящихся в резерве, близка к нулю (Л =0 ), вероятность безотказной работы группы в момент f при отказавших к турбобурах

где .А - интенсивность отказа работающих турбобуров;

к - число отказавших турбобуров.

Но в реальных условиях интенсивность отказа резервных турбобуров не равна нулю, т.к. имеются скрытые производственные недостатки ( нарушение технологии изготовления, неточная сборка, неправильная регулировка и др. ), поэтому турбобур может отказать на забое, не приступив к работе.

Для небольшого числа резервной группы можно применять приближенную формулу, по которой вероятность безотказной работы определяется . следующим образом

У- -М-;( 8 ) к!

При этом

где N - число исправных турбобуров на буровой;

Л* - интенсивность отказа турбобуров в состоянии резерва.

Испсльзуем уравнение ( 8 > для выбора числа турбобуров при эксплуатации. Поскольку решение подобных уравнений связано с вычислительными трудностями, целесообразно проводить расчеты для типовых постоянных параметров ( вероятности безотказной работы, величины резервной группы ) и для широкого диапазона значений ( срока работы турбобура, и срока хранения ), ватных для конкретного типа турбобура.

Поэтому для упрощения расчетов била составлена программа на ЭШ. При решении задачи принято, что турбобур находится в резерве цэ более месяца, т.е. 720 часов. При необходимости эту величину легко изменить. Интенсивность отказа турбобуров в период работы менялась

Уаг и среднее время работы было выбрано от 30 до 200 ч с различным шагом между этими величинами. Программа позволяет для заданных величин - среднего времени работы и хранения двигателей -рассчитать зависимость между количеством турбобуров и временем их бесперебойной работы. Для использования в промысловых условиях предложена номограмма. Она отражает зависимость между количеством турбобуров в группе и безразмерной величиной T/f , где 7 -средняя наработка на отказ, подсчитанная по фактическим результатам для конкретных условий эксплуатации ( глубины скважины, скорости механического бурения, типа долота и т.д. ), t - время механического бурения скважины и интервала. Для входа в номограмму необходимо задать требуемую вероятность выполнения задания группой турбобуров.

Основным критерием при назначении величины вероятности безотказной работы турбобура является экономическая эффективность. В некоторых случаях целесообразно турбобур отрабатывать до отказа, в других - эксплуатировать по назначенному ресурсу. Из опыта эксплуатации турбобуров известно, что даже при бурении глубоких скважин вероятность безотказной работы при оптимальном назначенном аесурсе не превышает 0,6.

В качестве технических средств для совершенствования конструкции турбобура и улучшения условий их эксплуатации предложены конструкции турбобура с дополнительной массой ( а.с. 1563280 ) и вертлюга с демпфирующим элементом ( пол. решение № 4912900/03 ) дл. целенаправленного воздействия на вход и выход бурильной колонны как

колебательной системы.

Для повышения эффективности очистки промывочной.жидкости и повышения технико-экономических показателей бурения разработаны конструкции переливных и обратных клапанов для забойных двигателей ( а.с. 1712570 и пол. решение № 92-009656/03 ).

основные вывода

1. В относительно неглубоких скважинах спектры нагрузок в области инфранизких частот на устье и забое отличаю .'ся незначительно. Как показали расчеты в случае линейной системы наиболее опасным с точки зрения вредных колебаний является спектр воздействия "белый шум". Резкий всплеск колебаний наблюдается в области 100 Гц, что согласуется с известными промысловыми эаыера^ч колебаний турбобура. Для нелинейной с зазором, не .инейной с кусочно-линейной характеристикой системах всплеск колебаний отмечается в области режима "плавающей пяты" ( ~ 1,5 Гц ).

2. Выявлено изменение частоты собственных колебаний низа колонны в зависимости от осевой нагрузки. Показано, что с увеличением осевой нагрузки частота собственных колебаний низа колонны стремится к нулюГ Варьированием осевой нагрузки и следовательно изменением частоты создается возможность предупреждения вредных колебаний низа колонны и турбобура, нахождение оптимального варианта разрушения горной породы.

3. Установлены особенности корреляционных функций и спектров давления промывочной жидкости при различных осевых :;агруэк£.х на забой, а также характер изменения преобладающей частоты спектра и интервала корреляции от коэффициента вариации осевой нагрузки. Отмечено, что при увеличении нагрузки снижается преобладающая частота процесса, и с ростом коаффициента вариации уменьшается интервал корреляции. Промысловыми испытаниями подтверждены осклвные закономер-

иости изменения форм ¡энергетического спектра и спектра давления промывочной жидкости от осевой нагрузки.

4. Составлена диагностическая матрица оценки технического состояния турбобура. Показана принципиальная возможность диагностирования машинного агрегата "долото-турбобур" по стохастическим колебаниям промывочной жидкости с использованием корреляционной размерности

( а.с. !i> I6000II ).

5. С использованием теории массового обслуживания по схеме "гибели и размножепя" разработана номограмма для определения числа резервных турбобуров при бурении скважин и необходимого их числа для бурения требуемого интервала с заданной вероятность*).

6. Предложены конструкции турбобура с дополнительной массой

( а.с. № 1562280 ) и вертлпга с демпфирующим элементом ( пол. решение 1? 4912900/03 ) для целенаправленного воздействия на вход и выход бурильной колонны как колебательной системы. Для повышения эффективности очистки промывочной жидкости и повышения технико-экономических показателей бурения разработаны конструкции переливных и обратных клапанов для забойных двигателей С а.с. I? 1612570 и пол. решение № 92-009656/03 ). '

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТШЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ишемгужин Е.И., Заикина O.A., Чистов Д.И, Нелинейные колебания турбобура // Тез. докл. республиканской науч.-тех. конф,- Уфа, 1988.

2. Заикина O.A. Использование планирования эксперимента для оценки факторов, снижающих наработку турбобура /] Тез. докл. республиканской науч.-техн. конф.- Уфа, 1988,.

3. Ишемгужин E.h., Ямалиев З.У., Султанов Б.З., Забиров Ф.Ш., Заикина С.Д., К'^лаев В.П., Шайдаков В.В. Статистические исследот-

ния шпиндельной секции турбобура для оценки технического состояния забойного оборудования; Уфим. нефт ин-т, Уфа, 1968.- 14 е., Рукопись деп. во ВНИИОЭНГ. 30.06,88, К 3585.- НГ.- 88.

4. Йшемгужин E.H., Султанов В.З., Шайдаков В,В., Ямалиев В.У., Заикина O.A. Использование спектрально-корреляционного анализа при контроле параметров режима бурения // Тез. Всесоюзной конф.- Грозный-Агой, 1968.

5. Гараева A.A., Заикина O.A. Влияние аазора в подшипниках и дисбаланса вращающихся частей на устойчивость вала роторных машин // Тез. докл. 40-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии.- Уфа, 1989.

6. Йшемгужин Е.И., Заикина O.A., Йшемгужин И.Е. Методы диагностирования долот и турбобуров в процессе бурения // Тез. докл. 2-й науч.-практ. конф,-Мурманск,' 1989.

7. Заикина O.A., йшемгужин Е.И. Число резервных турбобуров при бурении отдаленных скважин // Tea, докл. 2-й науч.-практ. конф.-Мурманск, 1989.

8. Заикина O.A. Вероятность безотказной работы группы турбобуров. Современные проблемы б--ровой и нефтепромысловой механики: Сб. науч. тр.У Уфим. нефт, ин-и.- Уфа, 19®).

9. Заикина O.A., Йшемгужин Е.И., Шварев A.A. Параметрическая неустойчивость вала роторных машин. Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Сб. науч. тр. / Уф"м. нефт. ин-т,- Уфа, 1990.

10. Йшемгужин Е.И., Шайдаков В.В., Ямалиев В.У., Заикина O.A. Условия работы турбобуров и разработка мероприятий но повышению их надеяцюсти // Тез. докл. Всесоюзной науч.-практ. конф,- Красноярск, 1990.

11. Заикина O.A., йшемгужин Е.И., Вахитов Р.Н. Гарантийные обя-

зательства по изделиям, выпускаемых ремонтным предприятием // Тез. докл. 41-й науч.-техн. ковф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии.- Уфа, 1990.

12. Ишемгужин Е.И,, Заикина O.A., Вахитов Р.П. Использование Метода логических схем при оценке безотказности шпинделя // Тез. докл. 41-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии,- Уфв, 1990.

13. Сайтов М.Ы., Заикина O.A. Параметрические колебания верхней части бурильной колонны // Тез. докл. Всероссийской студенческой науч. ковф,- Уфа, 1990.

14. Ишемгужин Е.И., Заикина O.A., Вахитов Р.Н., Ямалиев В.У. Метод логических схем при оценке надежности шпинделя турбобура. Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Сб. науч. тр. / Уфим. нефт. ин-т, Уфа, 1990.

15. Заикина O.A., Ишемгужин Е.И., Ямалиев В.У. Об оценке нагрузки на долото при бурении наклонных и горизонтальных скважин // Тез. докл. международной конф,- Грозный-Агой, 1991.

16. Заикина O.A. Оценка осевой г грузки по спектру колебаний промывочной жидкости. Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Сб. на;"ч. тр. / Уфим. нефт. нн-та, Уфа, 1992.

17. Ишемгужин Е.И., Ямалиев В.У., Заикина O.A., Ишемгужин А.И., Казырбаев Ф.М.,Раянов К.С., Насретдинов P.P. Применение.спектрального анализа для оценки технического состояния забойного бурового оборудования при бурении скважин Нефтекамском УБР. Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Сб. науч. тр. / Уфимс. нарт, ин-т.- Уфа, 1992.

18. Заикина O.A. Исследование передачи нагрузки на турс.;бур спектральным методом // Тез. докл. 44-Я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии.- Уфа, 1993.

19. Заикина O.A. Использование теории массового обслуживания

для оценки необходимого числа турбобуров при бурении скважин // Тез. докл. 44-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии.- Уфа, 1993.

20. A.c. 1555469 МВД E2IB45/00 Способ определения степени износа породоразрушащего инструмента // Е.И.Ишемгужин, Б.З.Султанов, В.У.Ямалиев, О.А.Заикина, В.П.Шулаев / Опубл. 07.04.90, Б.И. № 13. Заявлено 27.06.88.

21. A.c. 1563280 МКИ Е21В4/02 Турбобур // Е.И.Ишемгужин, Б.З.Султанов, А.Н.Зотов, О.А.Заикина, В.У,Ямалиев, Д.И.Чистов / не публикуется. Заявлено 29.10.87, Б.И. №> 17, 1990.

22. A.c. 1629455 МКИ Е21В10/00 Способ определения степени износа опор турбобура // Е.И.Ишемгужин, Б.З.Султанов, В.У.Ямалиев, О.А.Заикина / Опуб. 23.02.91, Б.И. № 7. Заявлено 10.03.88

23. A.c. 1696686 МКИ E2IB45/00 Способ определения параметров процесса бурения // Е.И.Ишемгужин, О.А.Заикина / Опуб, 07.12.91, Б.И. № 45. Заявлено 04.06,69.

24. A.c. 1712570 ЬЛкИ E2IB4/00 Клапанное устройство бурильной колонны / Б.З.Султанов, Е.И.Ишемгужин, А.В.Лягов, О.А.Заикина / Oijyö. 15.02.92, Б.И. » 6. ¡Заявлено I8.07.bi.

25. с. I80003I ШШ Е21В45/00 Способ определения работоспособности породоразрушаюцего инструмента / А.Х.Мирзаджанзаде, Е.И.Ишемгужин, М.Ы.Хасанов, В.У.Ямалиев, Б.М.Гейер, О.А.Заикина / Опуб. 07.03.93, Б.И. №. 9. Заявлено 12.02.91.

Соискатель ^¿Ц^- О.А.Заикина

Подписано к печати 19.05.94. Тираж ICO экз. Заказ 4.

Ротапринт Уфимского государственного нэфтяного

■технического университета

45СС62, г. Уфа, ул. Космонавтов, I