автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Исследование энергетических параметров гидравлических вибраторов для бурения горизонтальных скважин

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХУЗИНА ЛИЛИЯ БУЛАТОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.04.07 - "Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор М.С.Габдрахимов

Уфа 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИБРАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН 9

1.1. Обзор существующих конструкций вибробуров и гидроударников 9

1.2. Обзор опубликованных работ по исследованию гидравлических потерь 21

1.3. Методы определения гидравлических потерь 23

1.4. Задачи исследования 25

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИКИ ВИБРАТОРА 27

2.1. Определение энергетических параметров гидравлического вибратора с перекидным клапаном 27

2.2. Аналитическое определение перепада давления вибратора, оснащенного перекидным клапаном 34

2.2.1. Аналитическое определение перепада давления вибратора, оснащенного перекидным клапаном по формуле Жуковского 34

2.2.2. Аналитическое определение перепада давления вибра- 36 тора, оснащенного перекидным клапаном по формуле Вейсбаха

2.2.3. Определение перепада давления жидкости, действующей на вибратор с перекидным клапаном по формуле, отражающей геометрические параметры перекидного клапана 39

2.3. Динамика перепада давления на вибраторе с перекидным клапаном 42

2.4. Определение частоты работы вибратора с перекидным

клапаном 44

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ Д ИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАТОРА 47

3.1. Разработка конструкции стенда для исследования динамических параметров вибратора 47

3.2. Оснащение стенда необходимой измерительной аппаратурой 54

3.2.1. Статическая тарировка датчиков 60

3.2.2. Измерительная схема стенда для исследования вибратора 61

3.2.3. Конструкция стенда для исследования гидравлики вибратора с перекидным клапаном 62

3.3. Результаты стендовых испытаний 63

3.4. Влияние расхода жидкости на амплитуду пульсации жидкости 75

3.5. Влияние длины кривошипа на перепад давления и частоту вибратора 80

3.6. Выдача рекомендаций по конструированию вибраторов с перекидным клапаном для бурения скважин 88

4. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВИБРАТОРА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН 91

4.1. Совершенствование конструкции вибратора с перекидным клапаном 91

4.2. Дополнительная нагрузка на долото засчет работы гидравлического вибратора 93

4.3. Условия проведения испытаний 95

4.4. Результаты промысловых испытаний 99

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

109

ЛИТЕРАТУРА 110

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт промысловых испытаний наддолотного вибратора с перекидным клапаном конструкции УГНТУ в Туймазинском УБР 120

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Тарировочные таблицы для датчиков давления 123

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты лабораторных экспериментов 130

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Значения амплитуды давления промывочной жидкости, полученные при испытании наддолотного вибратора в условиях ТУБР, "Башнефть" скв. № 331 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Диаграмма гидравлического индикатора веса, полученная при бурении с использованием гидромеханического вибратора, скв. № 331 ТУБР АНК «Башнефть», 22.08.98 г. 142

ВВЕДЕНИЕ

Проблема эффективного извлечения нефти является одной из актуальных задач нефтедобычи. В условиях экономического кризиса крупномасштабные и дорогостоящие методы повышения нефтедобычи становятся невыгодными для реализации. Все большее распространение получают, в последнее время, методы, позволяющие снижать затраты на бурение скважин и добычу. Одним из таких методов является бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин. При бурении горизонтальных скважин создание достаточной осевой нагрузки на долото, способной преодолеть большие силы сопротивления движению бурильной колонны, становится одной из основных проблем. Для решения этой проблемы можно использовать вибрационный способ бурения с применением наддолотного гидравлического вибратора. Вибрационный способ бурения позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото. Как отмечают американские специалисты, увеличение механической скорости в 2 раза при бурении скважин глубиной около 2000 м приводит к снижению стоимости на 50% [1], а увеличение проходки на долото в 2 раза приводит к снижению стоимости на 11%.

Вибрационный или ударно-вращательный способ бурения начал развиваться учеными Г.И.Неудачиным, Л.Э.Графом, Ф.Ф.Воскресенским, Д.Д.Барканом, В.М.Славским, О.И.Тагиевым, которыми созданы гидроударники как простого, так и двойного действия, вибромолоты и механические дебалансные вибраторы, повышающие производительность буровых работ в 2 ... 3 раза. Характерным для таких вибровозбудителей являлась усложненная конструкция со множеством быстроизнашивающихся деталей (пружины, клапана) и большая ударная масса, которая приводила к быстрому выходу из строя шарошечного долота. В настоящее время, большие теоретические и экспериментальные исследования в этой области проводятся учеными

ВНИИБТ, Государственной академии нефти и газа (ГАНГ им. Губкина), Уфимского государственного нефтяного технического университета. На кафедре НПМ УГНТУ Б.З.Султановым, М.С.Габдрахимовым и А.С.Галеевым разработан низкочастотный гидравлический вибратор с перекидным клапаном, который в отличие от предложенных ранее конструкций, обладает динамическим воздействием, не приводящим к разрушению опор шарошечных долот.

Одним из резервов повышения производительности труда и снижения затрат на бурение скважин является дальнейшее совершенствование техники и технологии бурения с наддолотным вибратором.

Цель работы:

Обоснование параметров низкочастотного гидравлического вибратора с перекидным клапаном на основе лабораторных исследований опытных образцов для условий бурения наклонных и горизонтальных скважин.

Основные задачи работы:

- разработка и создание стенда и измерительной системы для исследования низкочастотного вибратора с перекидным клапаном;

- лабораторное и аналитическое исследование влияния геометрических характеристик вибратора на его основные энергетические параметры вибратора;

- выдача рекомендаций по совершенствованию конструкции вибратора, предназначенного для бурения роторным способом;

- опытное бурение с гидравлическим вибратором горизонтальных интервалов скважин малого диаметра.

Научная новизна:!. Создана принципиально новая измерительная система лабораторного стенда для исследования гидравлического низкочастотного вибратора с перекидным клапаном.

2. Установлено влияние геометрических характеристик на основные

параметры вибратора с перекидным клапаном.Теоретические и

э кс перим е нтал ьн ы е и ссле-

дования показали, что с увеличением длины кривошипа от 0,115 до 0,370 м увеличивается амплитуда перепада срабатываемого давления от 0,25 до 0,90 МПа, при расходе жидкости С>=0,0057 м3/с, частота колебаний увеличивается от 5,2 Гц для кривошипа длиной 0,145 м до 6 Гц для 0,155 м.

3. Экспериментальные исследования показали, что с увеличением расхода жидкости от 0,0057 до 0,010 м3/с растет перепад давления от 0,6 до 3 МПа и частота колебаний вибратора от 5,2 до 10 Гц.

4. При бурении скважины малого диаметра долотом диаметром 146 мм с использованием гидравлического вибратора при создании частоты 10 Гц с амплитудой перепада давления Р=1,5 МПа механическая скорость увеличивается до двух раз.

Практическая ценность:

Применение разработанной измерительной схемы лабораторного стенда позволяет с достаточной степенью точности определить амплитуду пульсации давления жидкости и частоту колебаний вибратора.

Оптимизированный вибратор с перекидным клапаном показал хорошую работоспособность, отличается надежностью конструкции, существенно улучшает показатели роторного бурения горизонтальных интервалов скважин.

Опытное бурение с применением низкочастотного гидравлического вибратора в условиях Туймазинского буровых работ ПО "Башнефть" при роторном бурении горизонтальных интервалов скважин позволило повысить механическую скорость бурения до 209%.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались:

- на II Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" ( г.Москва, сентябрь, 1997 г.);

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

- на 20 межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и преподавателей ( г. Салават, май, 1998 г.);

- на Международной конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, май 1998 г.);

- на I региональном научно-практическом семинаре "Современные технологии в нефтедобыче" ( г. Октябрьский, октябрь, 1998 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приводится в автореферате.

При проведении промысловых исследований в производственных условиях объединений "Башнефть" ТУБР большую помощь оказали ведущие специалисты ТУБР P.M. Рамазанов, В.Ф. Хайруллин, Б.В. Логинов, P.M. Гиля-зов, Р.И.Аглиуллин и др. Автор всем им выражает искреннюю благодарность за большую помощь, оказанную при проведении промысловых исследований. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить д.т.н., профессора Б.З.Султанова и научного руководителя д.т.н., профессора М.С.Габдрахимова за повседневную поддержку и помощь при выполнении диссертационной работы.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИБРАТОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

1.1. Обзор существующих конструкций вибробуров и гидроударников

Ударно-вращательный способ бурения является одним из эффективных способов разрушения горной породы. Этот способ нашел свое применение в горнодобывающей, нефтяной промышленности для бурения шпуров и нефтяных скважин, а также в других областях для бурения скважин малой глубины. При бурении таких скважин применяются гидравлические вибраторы, или так называемые, гидроударники.

Работы по созданию гидроударников известны еще с конца прошлого столетия. Первые патенты были выданы Бельцберну в 1867 г. и Хоппе в 1880 г. [12].

Работа этих механизмов была основана на использовании потенциальной энергии сжатия жидкости, которая вызывала возвратно-поступательные движения подпружиненного стержня. Стержень с утяжелителем были жестко связаны с долотом. Для создания необходимого давления жидкости использовался насос, находящийся на поверхности. Такие ударники могли иметь применение только на незначительной глубине, поэтому широкого распространения не получили. В дальнейшем были начаты работы по созданию машин, использующих в качестве привода кинетическую энергию потока жидкости путем включения в конструкцию машин специальных автоматически действующих систем распределения жидкости. Заслуга В.Вольского состоит в том, что он создал первую работоспособную машину такого типа. Аналогичная машина была создана и В. Пружковским, применившим устройство для распределения жидкости в виде вращающегося золотника.

На дальнейший ход развития гидроударного бурения оказали конструкции А.К. Кузнецова и Н.Г. Гамова. А.К. Кузнецовым была предложена гидроударная машина с клапанной системой распределения жидкости. Н.Г. Га-мовым разработана конструкция гидроударника с системой распределения жидкости в виде золотника возвратно-поступательного типа. Предложенный гидроударник увеличивал механическую скорость бурения и производительность работ.

К недостаткам конструкции можно отнести малый ресурс рабочего времени - в среднем 12 ... 15 часов, причем работоспособность резко снижалась при применении загрязненного бурового раствора.

Из зарубежных ученых, активно занимающихся проблемами гидроударного бурения, следует отметить Р. Бассинджера (США), проводившего в 1949-1956 годы всесторонние лабораторные и полевые испытания.

В ФРГ была разработана в 1955 г. конструкция приводного узла для пневматических и гидравлических буровых машин. Характерным для нее явилось движение ударника только под действием потока жидкости, при отсутствии каких-либо пружин [33].

Заслуживают внимание работы, посвященные различным классификациям гидроударников. В работе [30] впервые приводится классификация гидроударников по кинематике рабочего процесса непосредственного гидросилового действия, прямого действия с поршнем-ударником, обратного действия, двойного действия.

Машины непосредственного гидросилового действия работают на принципе действия рабочей жидкости с изменяющимся давлением на поршень, жестко связанный с породоразрушающим инструментом.

Так, в забойном вибраторе ВГ-1, схема которого приводится на рис.1, жидкость, подаваемая через бурильные трубы, проходя через отверстие и пазы золотника, приводит его во вращение. При этом возбуждаются

Принципиальная схема гидравлического забойного вибратора Вг-1

[

3

4

1 - золотник; 2 - поршень; 3 - штанга; 4 - долото

высокочастотные гидравлические удары, которые передаются через поршень.

Недостатком этих вибраторов являются: большая аварийность, вследствие поломки бурильных и утяжеленных труб; потеря герметичности золотникового распределительного устройства, большая чувствительность к буровому раствору; при применении загрязненного раствора осложнен запуск и работа вибратора.

К машинам прямого действия, в первую очередь, относится буровой аппарат В. Вольского, схема которого приводится на рис.2.

Классификация, в основе которой лежит фазовая особенность передачи энергии от источника в колебательную систему, приводится в работе Ясова В.Г. [106], где произведено разделение на три группы: гидроударники прямого действия, гидроударники обратного действия (рис.3), гидроударники двойного действия. В свою очередь, гидроударники каждой из этих групп в общем случае могут иметь клапанную, золотниковую и клапанно-золотниковую систему распределения жидкости.

В этой работе рассматриваются такие параметры клапанных устройств: тип клапана ( тарельчатый, трубчатый ), масса клапана, его размеры ( диаметр щелевого канала и т.д. ), площадь поршня Б и самого клапана Бк, на которые действует давление жидкости, ход клапана, число уплотнений. Исследуются также особенности открытия и перемещения клапана. Приводятся способы открытия клапана: в результате удара по ограничителю, за счет силы упругости пружины, инерционным или гидравлическим способом. Разделяются два способа управления работой клапана: автономный и синфазный.

Автономным Ясов В.Г. считает такой, при котором бойком управляется только открытие клапана, а закрывается клапан пружиной. При синфазном способе боек открывает и закрывает клапаны.

Буровой аппарат В.Вольского

1 - бурильные трубы; 2 - воздушный буфер; 3 - ударная труба; 4 - рабочая камера; 5 - клапан; 6 - поршень; 7 - шток; 8 - пружина; 9 - долото

Принципиальная схема гидроударника прямого действия

1 - клапан; 2 - пружина; 3 - боек; 4 - наковальня; 5 - долото

Автор выделяет наиболее важные параметры, характеризующие гидроударник при одинаковой массе бойка и диаметре машины:

1) энергия и частота ударов;

2) коэффициент полезного действия;

3) стабильность работы;

4) простота и надежность констукции;

5) величина отдачи.

Ясовым В.Г. также придается значение отношению энергии и частоты ударов к расходу жидкости, прокачиваемой через гидроударник.

В данной работе приводится методика расчета гидроударника, в которой определяются следующие характеристики: период цикла, частота ударов, энергия удара, ударная мощность, перепад давления, коэффициент полезного действия.

Ясов В.Г. приводит [\06] графики частоты ударов и энергии единичного удара в функции расхода. Частота менялась в пределах от 1000 до 1250 ударов в минуту, энергия от 10 до 50 Дж при расходе жидкости от 1-Ю"3 до 4-10" 3 м3/с. Экспериментальные результаты, полученные в данной работе показывают, что при увеличении хода клапана с 0,012 до 0,020 м энергия удара возрастает на 9,8 Дж, к.п.д. составляет 12 - 16 %, перепад давления около 0,17 МПа, энергия при расходе 5-10"3 м3/с для гидроударника Г- 5А около 80 Дж.

В работе [43] в качестве параметров пневмоударников используется энергия единичного удара, ударная мощность, частота ударов, перепад температуры. Эксперименты проводились при удельных энергиях удара Ауд = 5-110 Дж, скорости удара - 7 м/с-12 м/с, частота ударов менялась в пределах от 595 до 1030 ударов в минуту, ударная мощность - 4,7 кВт, перепад температуры 11 -18 0 С.

Поверхностная вибротехника рассматривается в работе В.М.Ребрика [65]. Ее основные параметры: мощность электродвигателя изменяется в пре-

делах от 7 ... 30 кВт, максимальная вынуждающая сила от 20 ООО ... 450 ООО Н, максимальный крутящий момент от вынуждающей силы 10 ООО ... 200 000 Н- м, скорость вращен�