автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование влияния компоновок бурильного инструмента в скважине на виброзащиту и устойчивость бурильной колонны

РГб од

5 I ^О^ЗД&ЗЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧН0-йССЛБД0ВАТ23ЬСКИЛ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ (ВКИИБТ)

На правах рукописи УДК 622.24.053

ЗАДОРОЖНЫЛ Станислав Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВД1РНИЯ КОМПОНОВОК БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА В СКВАйШЕ НА ВИБР03АЕ}1ТУ И УСТОЛЧИВОСТЬ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Специальность 05.15.10 Бурение нефтяных и газовых скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1993 г.

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники и Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте нефтяного машиностроения»

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Гусман М.Т.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Юнин Е.К. - кандидат технических наук Салодкий K.M.

Ведущее предприятие - производственное.объединение

"Пермьнефть"

и ю и я

Защита диссертации состоится 23 ¿7% 1993 г. в /4 час. на заседании специализированного Совета ДД04.03.01 Всесоюзного Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовател! ского института буровой техники /БШНБТ/ по адресу: П7957,г.Москвг В-49, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИБТ.

п п II IT

Автореферат разослан 3L2.. 06 1993 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью,'просим направлять по указанному адресу ученому секретарю Совета.

Ученый секретарь специализированного Совета

^jQa^Z^ А .И Литвинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность проблемы

Известно, что уд.вес проходки вертикальных и наклонных сква-аин шарошечными долотами в настоящем составляет- более 80$ от общего объема бурения на территориях стран СНГ. От работоспособности 3-х шарошечных долот, опорных узлов ГЗД и, вообще, смой бурильной колонны зависит эффективность проводки скважин и общие показатели бурения.

Стойкость основных рабочих элементов бурильной колонны и долота во многом определяется динамикой взаимодействия бурильного инструмента с забоем и как следствие вибрациями.

Причиной "застоя" и медленного роста показателей отработки долот, особенно в глубоком бурении, на наш взгляд, является недоучет фактора взаимодействия КНЕК с забоем. Это обстоятельство относится одинаково и к роторному, и к турбинному способу бурения.

В настоящее время из-за различия геологических условий бурения, сложных условий работы бурильного инструмента и управления процессом углубления забоя виброзащита низа бурильной колонны все еще является проблемой.

Общеизвестно, - проводка скважин в твердых и неоднородных породах роторным способом вызывает интенсивные осевые вибрации низа бурильной колонны, ускоряющие износ бурильных труб и препятствующие' повышению проходки на долото.

Осевые вибрации с ростом амплитуды колебаний становятся опасными, особенно в турбинном бурении как в низкочастотной, так и высокочастотной области рабочих оборотов вала турбобура. В отсутствии кесткой связи бурильной колонны с забоем, в отличие от роторного бурения, здесь в компоновке бурильного инструмента необходимо име^ь систему виброгашения. В частности, с установкой над долотом шпинделя

с амортизированной опорой качения удается стабилизировать или даае снизить амплитуды осевых колебаний низа бурильной колонны. В других случаях при работе с многорядяши осевыми опорами качения, которые характерны для большинства конструкций турбобуров, под валом для стабилизации динамических характеристик пары долото-турбобур следует .' применять специальные амортизаторы.

Вшеизлокенные воцросы являются мал©изученными. Например, недостаточно известна связь динамических характеристик бурильной колонны (продольной хесткости и коэффициента вязкой доссипации) с рабочими параметрами 1ЗД такиш, как вращающий момент на валу и скорость вра-лгзния долота. И особенно эта проблема ваяна для наклонно-направленного бурения скважин турбинными компоновками.

В случае наклонного бурения приоритет получают вопросы (увязанные с осевыми вибрациями) устойчивости движения турбинных отклоняющих кошоновок в сквакяке. От устойчивости движения отклоняшгх компоновок зависит качество проведения таких операций, как интенсивный набор зенитного угла, исправление зенитного угла и азимута скважины в интервалах работы погружных насосов, "ссрос" зенитного угла с целью попадания в круг допуска и т.д.

Такш образом, в качестве серьезного препятствия здесь выступает неустойчивость (не сбалансированность) турбинных отклоняющих компоновок. И если учесть, что большинство н-н скважин-разбуривается забо? нныи двигателями, а, это более ?0£ всего эксплуатационного «прения в стране, то проблема борьбы с вибрациями я неустойчивостью и на этой основе проектирование динамически устойчивых КНЕК в турбинном бурении является актуальной.

Цель работы

Исследование поведения компоновок низа бурильной колонны, их виброзащиты и устойчивости в зависимости от колебаний бурильного инструмента в сквагпзе.

Основные задачи работы

1. Определение оптимального состава ККЕК, обеспечивающего безопасный уровень вибраций в бурильной колонне (роторное а турбинное -бурение).

2. Построение общего критерия виброзициты КНБН в наклонно-направленном. буренки.

3. Исследование на основе промыслового эксперимента роли и значения больших масс УБТ в компоновке (роторное а турбинное бурение). ,

<*, Аналитическое исследование влияния скорости вращения вата на силу реакции в подшипниках качения опоры турбобура в наклонной скважине.

о. Определение места рациональной установки амортизатора продольных и крутильных колебаний, з компоновках низа бурильной колонны и его влияния на показатели роторного и турбинного бурения.

Методы исследований

В работе использовался комплексный метод, включающий аналитические исследования поведения компоновок низа бурильной колонны на устойчивость методами теории механических колебаний, теории упругости и сопротивления материалов, и экспериментальную проверку эффективности в смысле виброзалциты КНБК в промысловых условиях.

Научная новизна

Аналитически обоснована эффективность применения роторных КНБК : тяжелыми УБТ и с амортизатором на заданном расстоянии от долота, зризодящих к существенному росту механической скорости бурения, что практически псдтверадено при бурении з твердых и средних породах t условиях Вост.Украины (увеличениеЛ'м в .2. раза). Компоновка проект::}--:.--залась исходя кз заданной буферной массы 1TU- по принципу, аналогичному эффекту "вслнг.яода".

'6 . Разработана с помощью теории нелинейных колебаний и вариационного принципа в механике методика проектирования дищмически устойчивых КНЕК в роторном и турбинной бурении.

Разработана математическая модель устойчивости движения в скважине турбинного отклонителя (TOI; Î02), а таяке турбинных кошгоновок со шпинделем - откионителем Ш01-195. Аналитически обоснована

целесообразность применения амортизатора под валом турбинного отклонителя при выборе нигнего и верхнего плеча (относительно соответствующих масс, как 1/4 или 1/3) значительно псчдааадих устойчивость отклоняющей компоновки в азимутальной плоскости.

Пракптче^^я дедр?<?ть Предложены роторные и турбинные КННК, обеспечивающие виброзащиту бурильного инструмента в скважине. Разработаны методы проектирования виброзащиты турбинных компоновок для наклоннонаправленного бурения. Получены условия для проектирования дишыически устойчивых компоновок для бурения наклонно-направленных скважин с отклоштелем с .цельы управления траекторией ствола. Разработаны новые конструкции амортизаторов (ББУТ, Ш2Щ-Г72) для зурйинвого бурения и бурения с отбором керна (BE7K-I72) в компоновке со снарядам "Недра".

Реализация работы в промншлвнеости Соответствующие вывода и рекомендации работы были воплощены в конструкциях амортизаторов БЕ7-240, ВЕУ1-Г72, ББУД-Г72, прошедших испытания на площадях Сев.Кавгаза, Бост.Украины, Ниг.Волги и Западной Сибири.

Предложены и нашш подтверждение на практике 'виброзащитные компоновки в турбинном и роторном бурении. Экономический эффект на один

амортизатор серии ВБУ-240 в глубоком роторном бурении достигает 4883р. (в ценах 1990г.) и на амортизатор типа ББУТ-172 (ВБ5Д-172) в 1урбин-ном бурении 4500 р. (в тех se ценах).

ОанозЕШэ з.игтнупса'Э пвлотгсття

На залягу з качестве оскозккх пэлкгсхь.'Я дке&зртадакгсЯ .psi-cra ркяосятся:

I. Методика расчета виброзацитиас КШК з pc?cp::cti я буро--

пин, в той число при проводка" накя012:э-п2й?азлспжз Я. Результаты исследования роли п зга^нпл болъгпсс mes УБТ з 1ÎKBK (в роторной и турбинной буренки) и их адагапет па гояпезЕэ'своРегга бурзльноЯ колонны и показатели бурения.

3. Результата исследований возиотагост» построекая offaero Ерэтврйя; виброзашити КНБК з наклошю-капразлештам бурегяи.

4. аморткзатор продольных и крутияшых ксдезмьй? с повезгяпо!» дпеап-

ческоР. жесткостью для турбинного бурения (ЕБУТ-172) а амортизатор продояъно-крутилышх колебаний s рггулируогдзП продольной етстксстьэ упругого элемента (ВБУД-172).

5. КНБК, сочетающую амортизатор продольных. колебаний над дояогеп, криво!* переводник (в случае набора кривизгш) над шпинделей турбобура или оттслонителя я двухшаршфкый стабилизатор направления буреггая над зябоРнш двигателем.

Апосбатгтя работа

Вопросы, составляющие содержание диссертации» докгадигзжк» (з качество годовых отчетов) .ча Утопом Соната ЕНШ5Т IÎ34-KS5 гг.), а такза па расширенной Совета Главгкяя&гаологгп (декабрь

1939 г.).

1Ь*бл ÎÎ ГГЛ ГТП1

По тс^э дпзеертацтп опублляозапэ езсть ^zyrr.r~:

Структура в объём работа Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, с Сна литература, содераащего 39 наименований, и приложений на 63 стрз t^" (документы о внедрении и расчет экономической эффективности). Ра 'ёота изложена, щ J59; страницах машинописного текста, содержит 9 рису боа и 7 таблиц.

.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определены основная цель и направленность диссертаи Показана актуальность, научная новизна и практическая ценность работ В первой главе представлен подробный обзор и критический анализ опубликованных работ по давно? проблеме. Основное внимание уделяется анализу процессов, связанных с динамикой бурильной колонны, её взада действию с забоем, борьбе с вибрациями и применению виброзащитных си тем с целью повышения показателей бурения.

За последние годы в печати появились работы, внесшие заыетный вклад в исследование динамики бурильной колонны и буровых процессов, в частности, б решение проблемы борьбы с вибрациями при взаимодейсгв шарошечного даяота с забоем, создавшие основы современной технологии бурения скваяин и наметившие пути её дальнейшего совершенствования. Это преаде веего работы отечественных авторов: А.А.Асан-Нури, Ы.Н.Ал ксаддрова, Э.К.Ангелопуяо, П.В.Балицкого, Ю.С.Васильева, В.С.Владис-лавлева, 0.В.Воинова, Н.А.Гццдушша, Г.И.Дранкера, Н.А.Ездовцева, С. Заякина, Р.А.Иоанесяна, А.Г.Калинина, В.Е.Котиова, Е.И.Королько, И. Лебедева, Ц.Р.Ыавлютова, В.П.Ыаюгганцева, П.И.Огородкикова, В.В.Симон ва, Л.Н.Сшгашшца, Б.З.Султанова, МЛ'.Эекика, Р.М.Эйгелееа, Е.К.Юиин и др., а среда зарубезшых-Бредбера, Баррета, ДеГ'ли, Дзринга, Кэннигх иа, Нрейслн, Ливеед, Лутса, Миллера, Роллинса, Уилконса и др..

Атшлиз отстаствешшх и зарубежных литературных источников ло-

сзоглхд вняб1ггх) аптуагьннэ тооретотескпэ ц нрактпческно вопросы, - ■ sasma для репегаш пробшлн вяброзаотга бургяьного инструмента ш ЕПбоо, та:: п для проо^лровання КНШ с оптимально согаасугаппшся ди-кгхрюсжлп гараглотрачл бурильной колонии, забойного провода п дояо-5а. В этот случае слодуэт гарантировать отсутствию ria sadoo "ухабов", пороздазетх пнтзисшзншэ продолыпзз колебания буршгыгой колонны га гпзкол частота л теп сашл ослабить ударило дишмгчоекь'о нагрузки па опоршз узла пщравлячоского забо^того дплгатэля (П2) и долота. Вез поставлвшшз i?<x:o вопросы до настоящего вро:.;огзг недостаточно изучены. Так, во цкогше работах исслодованн продольгато полобаншх бурпль-£юго ппотру лента, иэделнруешэ погубесконзчтгл сгерптал с сосродото-чошгсГ: иассол па нглтегл коицо» ц с овсом по затрагивается попорочшэ з нродольяо-пзгабнш колебания KIEK, в "частности, их влпяпго на вкб-розаглту бурильной колонны, особенно пря гаклоьъ'о-таправлбгагсм буро-пиз. Пгл о том крутшгьгая "ссжость привода долота как в роторной, таг. н в 1ур£шшо~1 бурения лгбо вообца но рассматривается, либо считается постоянно:!.

Прл исследована: когобаппй колонны конечной датзн с учэтом от-раВ013ХЯ упругих волн ОТ устья сг-гпееши ПрОСТШ ропшшя найдопн только дгл случая свободного сакроплоппя вопхшго конца и закрашгоння шла "глухой" ездзлкя в отсутствии трепля колонии о стопку, В елугэо другого закрзшгакЕя вэрхпого конца колонка конотаой длины, аталогкч-лого прумткэ с ессткостью к, функция дшошческой зэстксстз I (со) ;шза колопш приобретает слссзшй характер. Агалопяпо, - из-sa сяоа-:ост:т вгиксшшЗ повоклозю получить простга условия устойчивости п слброзощгш ШИК прл .ыодещроваша составнсЗ 0ур*таной колонна о 7ЕТ тел учато закреткеязя вэршэго конца.

ОЕЛОТЮЛ, - "ЭТЯ I

.оппсаша усгошй устойчпвосга и ифветсиз да-

!ТЗ i l'j)

Sa колесного зплодапса низа еолопнн Z <u>) » ГСЭ *

ÖS SOG ЮЗЕС5Р7сг?ЯЕПО ДО сраЗПОШЮ о прошш етарп гопхтпеи SOD^Q-

íü

jffáttyfa трОЕЗЙЗ Un(Joj)~Ua(jvô)/uJJu>) , Ue(Jtx>) - ЕОрЗШЕЗЗШО S ЩЩ-

esa ¡ сошка еоеошш шл дшхозш» е - шрзашшнно в шргшн

/СЩЗНрЗ ЕСШОЕмЗ (сЗХЩИ ?БТ)С по H оно Ш ВЕВДДШ? £3 рОМКИ ПрОДОЕЬ-Ш2 пюзбащЗ буршагаг-о EisTj^arga»

■ . 0JP2EO nsoüsozs^a csasaï3>8 г шзод;» еледрщй из понятая яоэф-фццшдаа Еаразрчп, об ккгопеша ешезжсйзй zscïsocra однородней 0yparamS волоана п ДЕпазашэюй состазяшцоЗ осевой нагрузки ва до» лото црошршюшдьно роету старости вровэшш долота, - Eesepsn. ; / гЕа ваз в гурбшшсы бурзгшз, особенно щи провода© ш-

ееошзз: скв2£еп, баязз условие днтшнеской устойчивости

КЙЕК фо!ыузщрС2а2ь ш шбрадпопного коыонта Ии (и>) и кзге-

базэиэго ощюкеиеезшзезго комета N^ílj) . Подчортаютл, - особенно эта пробшэг касается ваигошго-шщввленного бурения, ras ввдолоннэ "внутронпаго" рззшапеа в колонне, ввиду наличия суиюствэтпхк сил трония, ЕС012Щ щишщпнально, без преодоления резонанса невозможно спроекщравать вздоаауэ влброзаэтгу КНПС.

Сатрошш еср одвп соцроз, сресгвэпшй для практики буротя, -это вшшш гвсзкостз связи пара долото-порода с низоы бурильной колонна ез црацэсс разрознен порода и показатели бурения. а этот вопрос« в авоэ очародье тргбуот дай» огвот6 вдзбходшло ели нет пршаиа-НВ8 ашретгакчра в óyjsmnf? По стой проблеяв m с22 пор пэт одиозиач шш> рвполиЕ. По Езпсцу икоппэ: ашртизатор необходим в роторгш гау бокалбуршщгая долозш как срадотво шброззиш! самого долота и бУЕизшюй бшшш СрзЕьбовш: соедпнаниЗ СЕТ н УГГ) п самни пови-ЕЭНЕЯ ЩКШЩ2Х m долото,

' В «ябштаз фрзнзз 5Ж5Т вйцроо евэ болоэ еапушн з протаворэ-чев» - цасколш) ефгхижеео здесь праглэшвпе алор^хга^ора иа'шо cîs-сакь тодыа щи дстагиш-х-аштак Евсяедоззиаяк*

щ|5жщув еве ор§59$вэ ехбро^циты кпек, в болзо еероеш! cíei3e3

-'тЗ^.ТР^Ц^РПТГ^ ПГТ^У рассиотроть ЕЗЕВбШЭ S продозп

но-язтабгаю колебания бурильной колонны. ГГргошгая за основу всо из-логениоо шглх вше, полш сформулировать sa дата, подлокицзэ реиепшэ в данной диссертации:

- разработка методики проектирования виброзащиты КННС я техличоских . средств (амортизаторов я упругих переводников долота) для эффективной борьбы с влбгщдалт з роторгом и турбнннш бурогага; ,

- разработка в роторном бурении методики расчета параметров КНБК (дшн, диаметры УБТ и скорости вращения ротора), обестючивагащх, виброзасдту компоновки при низкочастотных осевых колебаниях низа колонны и долота при бурении без амортизатора;

- исследование влияния в промысловых условиях места установки амортизатора в кологаго и состава бурильного инструмента на виброзащпту ШШК и показатели бурения;

- разработка в турбинном буронип методики проектирования виброзащита К11П\ при проводке вортикальных й наклонныхскважин и на этой основе расчот рабочих параметров забойных механизмов для борьбы с вибрациями при бурении вертикальных скваяин и неустойчивостью дви-кошгя турбинной отклоняющей компоновки при бурении паклогонх сква-

2Ш.

Последняя задача рсЕаотся о помощью моделирования продольно-изгибнш: колебаний низа бурильной колонны на примере однородного уп-рутого тяжелого стержня длины £ , на конце которого действует сосро-доточонгая сила р (л /1} , шловдая статическую п динамическую компоненты.

Во второй главе пзлоээнн теоретические исследования ио моделированию устойчивости и ЕЛброзаюты бурильной колонии, а такнэ метода:."! проектирования вибрадаонно безопасных КННС в роторной бурении.

В качество основной рассматривается задача об оцэнкэ ролл и

влияния большее mcc 7ЕТ на виброзащту роторной КНШ. Прз.гапеяпэ

составной бурильной колонки с УБТ кагат привести к зшчпгольнш динамическим перегрузкам бурильного инструмента в несколько раз прэ-

гатаздге статическую нагрузку на долото. Изменением длины УБТ при заданной скорости вращения ротора и>с устраняется так называемый "внутренний" резонанс, когда с ростш глубины забоя выкуЕдоннш осе-внэ колебания долота происходят на частоте и> , близкой к собственной частота колебаний секцсш УБТ. Таказ образом, изменяя длину УТТ, ыодш регулировать дивашяэсщю составлявшую нагрузки на долото.

Условно дитшческоа устойчивости составной колмшы с УБТ (и в смиело отсутствия "внутреннего" резонанса) вцразаетея неравенством (участок бурильной колонны шез УБТ считается полубескокечнш): Ипге^о (а),

.а

где параметр 9- ^^ - ¡Газовый угол компоновки определяется из соотношения ыезду силой ( Р ), действующей ш долоте

в перемещением (и ) низа колонны. Для устойчивости бурильной колошш на шзкой частоте колебаний и отсутствия "ухабов" на забое необходимо, чтобы угол 9 подчинялся дополнительному условий:

е = (а' ),

оОс - скорость вращения долота, - длина УБТ, с - скорость звука в колонне (с = 5 ш/сск).

• Для шклокеого бурения условий устойчивости в виде (а) и (а') узе недостаточно для виброзазцнтн компоновки. И, эдэсь, наряду с про-дольншп, еш обязанв рассмотреть цродольно-изгабнне колебания КНЕХ. Пусть: - цродольнш шрекощеккя точек оси колонны, Е5 - '

аесткэсть сечонпя коапоновкн при сгатш, "\дГ(хД) - величина поперечного прогабэ калонан в сечеппи х , X - момент инерция компоновки, К^рСх, t ) - пзгабаизий иомент, действующий на КЯЖ,

Система уравнонзй щюдольно-изтабных колебаний колонны в данных обозначениях выражазтся соотпсшонияаз:

ГКО £х - Uj +1 ifj - продольная дофорахщя сторгня.

Решение система уралтсгзй (б) обязано удовлетворять грагочнш ус-ловлям:

djh 2»0

U = = (б')

пгггсеп: P(t) - продольная сила, действующая на ко гаю колоти, P(t)=P0'-PtccjLot> I - длша колонки. В случае устаповпвшхся осевых кояебашй колонны под действием силы PC*,t) = P(t) росеше системы (б) нмоот вэд:

с /■ 177--

•" - • i / -V

где частота устаковтялихся осевих колобанпЗ v = со i

При бурения бзз амортизатора роторшглт ксглгопоБками сдияствеп-нш олеионтш ЬЖК с йольгоы водновтм сопрстгпг.гешс.! является УГТ. Задавая и регулируя определенным образом ззолновда свойства УГТ (вол-ковуэ проводимость и п.тпздано) по отнопегаю к бурильнш трубам, мо:>-ко повысить дипа:.:пчсс;;уз йзсписть КПШ. Сто рстулчроватзто с цольо повышения дЕнагличоской яэсткостп колоти осущесталтот. путем -выбора дяшш УГТ согласно неравенства:

< t4<-

с

~3bZ50 4 13 л0 (в),

сос - скорость вращения долота 7 /, - длина УСТ.

При нагсгацно-наиравлатюм бурапен, когда прмэнанив большого числа сегэдЕй УГТ поцзлосообраззо, для регулирования ьояцозого сопротивления (зля дккашчоской гасжостл) бурильной колонны рекоиетсот-ся пршлешпь шоргззатор продольных колебахси;. Считая добавленное волновое сопротивление колошш .ишойкым относительно пзрамэурзз амортизатора { La(со) ~На + ix„ • cj ), для конечной фрЗЕЬКОЙ еопошш, — условна устойчивости ШИК 0, Liggp.sO, 2eL(iO) ^о ) з низкочастотной обмети о) установпшЕкся сыпуудсшшх когэбагсй трат епд;

{кв + 1ха (4** т^а)1)4- [/-(^й1)"V(бД)]/

"Р" I ^ (в')

• В соотношении (в') наш обозначены: т^ - масса компоновки под амортизатором, т * масса компоновки выше амортизатора, Ка -жесткость амортизатора, ха- коэффициент дежкЗировакйя амортизатора, Е-^ - жесткость УБТ, Е^ - несткость СЕТ, л - параметр ког.шонойки учитывавший - закрепление верхнего конца бургльной колонны.

Третья глава посвящена вопроса*.; проектирования виброзацпты кои-поновок с использованием определенных сясте:. вибрэгашення в турбинном бурении.

Проведено исследование условий устойчивости стационарного равномерного вращения вала турбобура и возникновения "внутреннего" резонанса в турбинных компоновках с присоединенной массой. Результата .. является разработка математической модели равномерного зращения неуравновешенного вала турбобура с подшипниками качения. Показано пу-. тем решения дифференциальных уравнений стационарного вращения вала, что устойчивость равномерного вращения сохраняется только при малом изменении эксцентриситета ( л е ) валз относительно корпуса и при отсутствии в случае больсэй присоединенной кассы критических' точек

(п „п ) в зоне рабочих скоростей вращения, кр»

Для практики турбинного бурения ваяю установить как влияют продольные колебания бурильной колонны на 1.1-« характеристику турбс ■бура и "внутренний" резонанс компоновки. Показано,на примере резшлг шксимальной мощности, что в диапазоне рабочих скоростей вращения (при больших разгонных оборотах п х) в окрестности т.тогут окг

заться критические точки (п ко#), особенно, когда присоединенная . масса вала велика. В рекше резонанса ( п<р < ), правее об-

ласти И(ггкр)1— 0 , рассматривается задача:

то*

при . , М(*г)*Мс(тыфШ)\~1 (а) ,

• ■ ■ . 15

гдо: рп - начальное давление в ПЗД, л Рт(г?) - перепад давления п . турбобуре, а - расход, - к. п. д. турбобура, 11^'Лп ) п *'с(/7 ) соответственно, тормозной, работай п ыоглеп? сопротивления на валу, - скорость холостого врасешя вала.

3 силу Са), высоте аштггуды колебаниЗ вала турбобура появляется со стороны высоких скоростей п (справа), сдвигая шглогащуэ . характеристику, в час тоста '.;с( ^ ) влево. При разгонэ вблизи от резонанса вала, - он "втятпваотся"в внеокооборотнув область скоростей, врацегшя, если в нем имеется развитая внутренняя диссшхативпзя систо-ш (иногорядная пята скольжения).

Бели ыасса корпуса с внэппнмп элементами цептровкн турбобура и ого ротора значительно расходятся по величине, то втягивание вала в вшокооборотнуа область вравзэпиЗ происходит при скоростях п>пс , "с - соответствует частого собственных осевых колебанпЗ корпуса турбобура.

•ЗЬловие динамической устойчивости п отсутствия вибраций в тур-бишшх кошгсновках с сосредоточенной массой вшэу колонки фориирует-ся с учотогл действия впбрациошого иомонта Г(г:) щ валу турбобура. Тродпциотпю, - оно связано с ижепепиеи угла наклона ( ) моелопт-ной характеристики турбобура, при этом часть рабочего цемента 11и(п ), затрачиваемого на поддерскапие вибраций, ранее не учитывалось. Согласно уравнония ыоглентов враидадагося вала поено записать:

гдо: - обсая шсса турбипной котягаповкп, касса вала (о

присоединенной иассой), £ - экспэнтрзсптэг вала), Л = С/О - бээ-разизрная старость вращения вала, СЛ) - коопфициент Зешз^зровэния турбобура. Относительно усредненной (окспопонциальио) скорости вращения вала , гдо 1п , урашэшз (б) пгэвт елдг

во по определена» ((<-0 г и тогда условг устойчивого ароздэшш шла (при шшмалышх вибрациях, И^, = min) в зоне рабочих оборотов следует из соотношений:

l^c^l^i, м(п)<.нт, Mc = Ksn~* ы

В чотаоптоЗ рваве представлены результата анализа условий виб] зашиты при бурении турбишшш тлюповкаш каклоншх скгагин. Праве , деи основные результаты в последовательности рошокия задач,

. При исследовании сип трешш в зазорах иотелтпникоз тачания onoj турбобура щш из уравкония рашовэсия упругого вала . /V - сила упругости, вала Ij»^ - ентш шюрщш грптраторов на вагу кордусо турбобура) получено выражение для - силы реакции в опоре

*<-{сМ + е,){ - ^ j i/. -p]/f (j у)} (в),

тдо: с - еосткость вала на изгиб; е,, ег - эксцентриситеты еишвп (верхнего) и среднего (ке^сешщонного или передвипного) цент^тороз - патштр кошюношй:; rn, - :,ассп вагшюго (ниншго) и • среднего (даксекциогагого) центраторов, § = - бозраклорпий рамотр вала, cd^ = ; ct=jrc^ - воличиге зазора в годашншях, . Рассмотрим основные для практики случая.*

1. KitO, ¿~-*<Г0 . - вал создает давление ш опоры (турбобур касаот« верхней стеши), критические точки: f ¿^ (■/-

- параметр псяшишпгаа (верхний зазо;

2. «4^0. cf=-o£ - вал тгруаэн в опорах (турбобур легагг на inr-iiei г \ стенка), критические точш: ), §¿ = £(1- fh£t) 7

= ^ c^J — тараштр подлинника (нинпнЗ энзор!

• 3. fy равиоиорноо устойчивое врощониэ вала; крити-

ческие точки f-Jc, | проходятся при отрыве вала от опор ;

. даух диаметрально цротпвополоащх точках опорного кольца.

Рассыотрапио влияния продолыга-изгибвых колоба шд! на "внутрэа ниВ" резонанс колонны щи регулировании зенитного уста и азимута

скза~га проводится иа подели турбофрз - отагопитоля с пзрппртзгм ■ . элементов по валу ила корпусу га прзкеро турбпагаЗ Еорвнрной ксмпо-поскп (ШК). Регулирований азадутальпого ( ) и сешггоого (б ) угла достигается изглонение^ величины гагнбзнцого (оцрогащкваицэго) иоцэп-та Нг , действующего па корпус турбобура, взшзчэппого в спсщзльпуп компоновку: ■ ■ •

iecoc' *&СгсЦв) ' "

.'/f-V?, 4-/Ъ ( /,•.'/, Гг. Г i f 0 ) , ' , -

гео A- проэкшл изгибаемого ькхгонта "Иг па азняутальнуэ п зепптнуэ плоскости искривления ствола; Д/г - коэф^шщзиты трошш корпуса о стопку и в опора турбобура; paCi - Созрагггаршо пагатзотрц кошоновки. -

Из соотноеюшй (б) следует возуоепость непрерывной корревдга " аззиута и зенитного угла при условие, что корпус турбобура но касается верхней степкя скваппш, т.е.,. когда существует возможность свободного опршгкксагая турбобура в стволе. ïïpn >eeaCrzcoTu. — оо регулирование азшута ствола по пзтабаккену иотданту становится но-вохкстым.

Исследовало сошестпого влияния шлих осевых п угловых колоба-¡шй вала в гарнире (корпуса - при- наличии гаршрной цуфтн) па состояние дшашчоского равновесия системы вал+корпус проводится па татоьа-гячесхой шдсла турСшного отклонпталя. В отсм случае таремеивтя сяо-геш вал+корпус согласно принципа Далакбора ощгспваатся уравпоналип 4 (Гагршса (2-го рода):

X, + a^liQ , Кг + агХ-- alitQ G + (g,//, gt С)б = êlt х4 - &4(в), где: Xj»x2 " осевые перегецетя сала п корпуса, 6 - угол пскрзвлоЕет Des вращения вала (корпуса) в парнпрэ; at,Oj_ j SugL ; êi.èz. ~ парвкэтрв жиюнителя.

Для систем уравнений ( 6 ) езено рассгятроть случай (свявь tra*— зу корщгсш н вален, - досткая), пота:

1В

В раыках ограничений (в') удается подучить относительно :>рос рэшенио системы (в) в виде канонических функций х-А^ан(ч>1 ♦ е) 9 = А</со4со1+е) 5

: • - Щ°Л ¿/¿*) [(с/Ц.а]1+ (£П)г'} (вя

где хфитЕческие вараьзетры отклашхзэй спсте.ш вал+корпус турбобуг определяются из условия обращения в дуль зшмотталя выражения (в

И, наконец, рассмотрим условие прзлеиеякя амортизатора в туг бяшнх коипоновках. Получено выражение агшжтуйи А3 установивсихс осевых колебаний вала при неподвижном корпусе А^=0 турбобура-откя шгееля: .

л ____-т4сЭ< + \сс+с,) _ л г.

(г)

1Я©5 те1т1 - шеей вала и корпуса, С0 - сссткость амортизатора, - аесткость осевой опоры (няты).

Корпус сохраняется ноюдззглзи (Ак--0) когда под валом размен амортизатор с большой шссой. В протпвио:л случае, - преодоление "внутреннего" рэзоиачса и гашение выпугданных колобашс! бурильпо:! колошш достигается только пта условии, козда т,, т.е. при близости шсс вала ы корпуса турбобура, что з какяошгсгл бурегши д стирается голько при коротких забо&шх двлтиг>штх.

В пятоЗ главе диссертации анализируется данже прашелових в следований по Су рента рэторшшг п зурбтпшгда коглпоповкагли с аморг торагли разных конструкций, в тал число серия ВЕУ (АН)-£40, ЕГУТ-17 в ВШ1-172, но регионам Сёв.Кавказ, Ппг. Волга, Зост.Украша и ?ап Сибирь.

Основной объем бурения выполнен роторшли компоновками с дол яалй ¿255,3 ш и амортизатором ВБУ(АН)-£40 т. Сто районы Сев.Каг аа (ПО "Грозность", ПО Ч\раскодарк&т>тегаз'')* Вост.Украина (Ахтцре кое УЕР ПО "Укрнефть") а Нпз.Водго (ПО пастраханьгазщшп),

" Всегда сушетвовало мнение, что амортизатор влияет на проход ва додото, повызая еэ в средней на 25 гь> 40£, А по воздействии гас

толя из величину г.тзхатчвско8 скорсаи прозодгз единого шснгя паи. от сшезния\гм до ее возрастания m IO^O^. 3 рэгупьтатэ пппкапЗ . . амортизатора АВ-240 з Ш Трозпофгь" (с::.£3 л И2 -Хгпязгз) уссзгс::— лева корреляция показателей бурэЕпя с мостсм ото р^спогоггзгсп в (?/»-

рплыюн КОЛОШЮ.

Результаты испытаний иодтгор^гз ггзод автора сб с$§оэ-

ТПВНОСП1 амортизатора только в спэхсальнсЗ всиютаиза о УГТ. Наиауз-шиэ результаты получены с амортизатором АН-240 щгх установка его. над долотом сории ШУ,

Принципиальным в роторгсм бурэнш является гопрзо об пзпозьеоез-шш энергии колебаний долота для повшепш квхатшзсксЗ csopccssi проходки. Сделанное прздяолоЕотге тми проворялссь па сящпзльиоЗ компоновке низа колонны, составлзнпоЗ из акортпзаторз п УБТ (долото 295,3 т + УГТ ¿229 мм = 10 и + амортизатор АЛ-240+...), ирдаэнонкой на скваззше J5 60 - Казиевская (Аггарское УТР). В интервале 3333 и — -3780 н в 10-тз долблениях при оерздненни получепо увеличении из 103^ (с 0,83 г/ч до 1,69 и/ч). Сравпотша проводилось по екгапгпэ J2I9 Казиевская в атшюпгшнх условиях бурзппя баз амортизатора (гя.324Ги - 388:: и)« Обцая длина УБТ в обоих случаях составляла 192 и, а длина всей КНЕК - 200 м.

Однако увеличение Тц в 2 раза ssccs црезсаизго дрз ceechis (тоге в 2 раза) стойкости опори гзрегзчного долота (о 33,7 чао до 17,14 час), но общая средняя прокодЕЗ пз дедего щп аю возрос» га 25£. Таким образом, п здесь птвауэдзса гсгорзтъ без щпзгз^зхст дополнительных факторов тальго о вгияипп а- пргэддчг пз

долото.

Те са:игэ внзоди го гезх плигшстс ггортясз-

тора ББУ(АН)-240 п здртшх pa&nas. 7бэдпгагшо сиз pi3 гэдтгзр-дилгеь при одшврзмзшпЕ ^зшгпшиях ЕБГ-240 я сгоргзгагэрз фщгя! "Граффито" </&40 ьгз) а Ш °ЛсграгппзЕ1ппрсмя. Во jxзх сцусга: Cji-'"

ния амортизаторы ББГ-240 и "Грифгятс" устанавливались над долото-гл. По результатам испытаний ББУ-240 в стандартной компоновке признано |шщоЕальнш увеличение динамической гесткости КШЗ\ (/7р4=Ш ш"1, ^уц^ПО тлсу 130 и). При этой выигрыш в проходке на долото здесь Составил 35/5 ирг сохранении механической скорости бурения (долота 295,3 03-1НУ, 1'03-ГНУ).

Вывод по "Аетраханьгазлралу" подтверждал сузцествешзш здаск-г от иршоиения амортизатора БЕУ(ЛИ)-240 только с'глубины 3,0 тыс.глет-ров, хде стойкость варошечных долот с откргкзй опорой резко снижается ж составляет Юо/Ц час.

Одновременно с роторным, - для практики тто определиться с местом и ролью амортизатора в турбинном бурении.

В нашей работе эксперименты с амортизатором в турбпшгаы бурении проводились в 2-х направлениях. Одро из них, - продолнекив выяснения влияния амортизатора на показатели бурения. Вопрос этот для турбшь пого бурения принципщцюн и не имеет однозначного решения как в роторной бурении. Другое - второе направленно лреглнеловнх исследований с амортизатором является сравнение его влияния и влияния УЕТ (ЛЕТ) на. виброзаидату бурильной половин.

Района турбинного бурения с широким применением стальных труб, УБТ к легкосплавных труб СЕЕТ) является Зап.Сибар!.. Здесь - гесткост] КПЕК с турбобурогл ЗТСЕГ-Г72 с 25-в ступеняглп осевой опоры оценивает-: ся как

(8,97*9,09)т/ш« (259«323Н(310^ 332) т/сгл. Однако для надекно2 виброзащиты, гак показывают расчеты, динамически . жесткость кшпоповки обязана составлять не глепео 500 т/с;,'. В этой Овязи применение новых технических средств виброгашенкя, - таких как улрутиэ переводники шш механизмы упругой подвески долот и забойного двигателя (ВБУТ, ВЕУД-172) предстазлклось оправданным. .

Испытания механизмов ВБУТ-Г72 и ВЕУД-172 проводились в объединении "Обьнефтегазгеология". Анализ результатов отработки шарошеч-

hîsc долот с зтрупы порсводпщсси БВТ-172 подтвердил цзлососбрзо-' " ■ ность ого прзглзненшг с глубин 2G00 uw 2200 и. В отоц случае обзсшз-чивается равнселеркцй износ опори долота, пгпяшаэтся сз подгспппя, что в совокупности приводит к росту ПрОХОДСТ Ш КОЛОТО о 63 „7 и до ' С5 и яри сохранении старости бурзппя (14 l'A а» 16 ,Т гч/ч).

Механизм В1УД-172 предназначен для гапокия низкочастотных есо— внх (крутильных) колебаний бупильпой калоши та стнко турбобур - УЕТ или СБТ, Упругий элемент амортизатора допускает 2-а варианта сборзп, кратко отличшяциеся (в 4-е раза) друг от друга по продольно:! гест-кости. Механизм упругой подвески забойного двпгателя - БГ7Ц-Г72 ио-штнвался m скваклш J3 155 - Пытлонгская, начиная из под кондуктора (457 и) в кошоновко: долото 190,5 ?.!ГВ + турбобур 3TCT-I72-Î-ÎÏÏ7II-T72 (,'i D-hCI'T é 114,8 ш = 537 м + ЛЯ#129 ш = 634 гл. Аглортиватор ВЕ7Ц-172 (;3 2) с упругим эле:лэнтои из ступонеЗ однорядных рзззповнх шаров ("•костная" прузипа) располагался над долотом (гл.2160 н - 2400 м).

Тамгл образом, из прожслового эксперимента с амортизатором, раснололэшого внес и пике шла турбобура, и сравнения результатов отработки долот в компоновка с нпгл и с УТТ (в сопостзеггих условиях) мокко сдолать вывод:

УГГ определенной длины (до 50 м), в силу их большой дзепютйзсеоЗ состкостп, способствуют стабилизации рзгогз тагруззкия в спат~го долото-турбобур;

напротив, - ашртизатор становится эсТфекряЕши толы» о рссгса глубпн ; бурения (с 2IOO и) п увеличением сил упругости в с^рзльпсЗ хюхонкэ» особопко с приближением его к сабсэ.

При gto:.î ококчателышй впзод о влиянии гнюртлгзтора га гязгк> ческуэ скорость бурения сделать невоедэгно ггг-са слсиисстз п Еярло» деленностя эффекта в вцду присутствия ЛБТ. Одиагл trczno утезрздк», что аиортзззтор ез валу турбобура сисссботзуз? росту преяедез m долото з срадЕСТ ез 20-^25/?.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Показано теоретически < щто одновременно с шарошечным долотом истот ц?1ксх продольна: содебщий .в еадош« Евлаетсг неразномерно нагружен-

куй тур&скзура с^сбзлведоа-'рр» воздействия переменной боковой

2. Показано на основании математической подели продольяс-изгкбкых колебаний однородного стерзгкя, что устойчивость ККБК б наклонно? скважине зависит от прогиба оси нижней части колонны и её продольной сестности.

3. Аналитически обосновано и показана в прощ-словых условиях, что Виброзааитг КНБК в роторном бурении воомокна без акоргкзагсра при создании бзльаоЛ динамической жесткости киз=; ЗурильнчГ колонны с поютыэ УВТ.

4. Показано (аналитически), что боль-иа сихы реакции в подшипниках качения осевой опору турбобура поро-здаюг "внутренний резонанс" и делают невозможный виброза:цигу КНЕа при скоростях вращения вала,отвечающих собственной частоте осегис колебаний корпуса турбобура {сос]

5. Показано (аналитически), что область роэонадса неуравновешенного вал» турбобура с присоединенной ыассел и вибрационным моментом Мп(п) сдв:хгает иоиентную характеристику турбобура в область низких частот вращения. Виброзаадта турбобура л ККБК в лззой часгл характеристики невозможна из-за е"э неустойчивости.

6. Установлено '.теоретически), что виброзааита турбинной компоновки •в наклскной скважине возможна без амортизатора, если с аоиосьп компенсационной массы удастся сбалансировать вал и корпус турбобура. Досяеднее подчеркивает перспективность применения коротких ГЗД.

7. Установлено (экспериментально), что турбинное бурение вертикальных и накдонных скважин требуег применения амортизаторов с повышенной про додьноЛ Еесткосты. Подтверждено расчетами, - в наклонном бурении в КНБК следует применять короткие нзддолотнь-е переводники- амортизаторы

регулируемой жесткостью упруЬзго элемента.

Показано теоретически и экспериментально, что амортизатор осевых крутильных колебаний в условиях внутреннего резонанса бурильной лонны является средством виброзадитн и стабилизация режима нагру-ния турбобура и долота, способствуя повышения проходки за рейс в еднем на 20^ 2555.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. "О•внброзащите низа бурильной колонны при роторном бурении", овыестно с Воиновым О.В. и др.).

спресс-инфзркация. ВНЖОЭНГ, сер. "Строительство нефтяных' и газовых зажин на Суше и на море". Вып.II, Москва, 1990 г..

2. "О возможности регулирования зенитного угла и аз;;;.:уга ствола клонно-направлекной сквазкины турбинными компоновками". спресс-:гнфорыация. ВШЙОЭНГ, сер. "Строительство нефтяных л газовых ваэттш ка суше и на море, вып. 6, Москва, 1991 г..

3. "Возможность динамической стабилизации рабочих характеристик рбобура при бурении в Западной Сибири". (Совместно со Спиридоновым А.).

спресс-инфоркация. ВНШОЭНГ, сер. "Строительство нефтяных и газовых важнн на суше и на море-", вып. 7, Москва, 1991 г..

4. "К вопросу о применении систем виброзащиты в турбинном бурения' овыестно с Жуковой М.Г.).

учко-технический информационный сборник. ВНИИОЭНГ, сер. "Строитедьс-о нефтяных и газовых схважин на сусе и на море", вып. 4, Москва, 92 г..

5. "К вопрос:/ об устойчивости движения турбинного отклонится скважине".

спресс-информация.- ВН/ЫСЗНГ, сер. "Строительство нефтяных л гэч >-х скважин на суше и на море", вып. II, 11осква, 1992 г..

6. "О технологических аспектах применения турбинного огклонителя в скваяияе".

Научно-технический информационный сборник. ЗНМСШГ, сер. "Строительства нефтяных и газовыхскважин на суше и на море", вып. 11-12, Мзс-ква, 1992 г..

Подписана в печать 29.04.1993 г. Зак. 93 Тир- 100.

Ротапринт. .ВНИИБГ