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

. О и

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Московская государственная геологоразведочная академия имени Серго Орджоникидзе

На правах рукописи

Маковский Павел Александрович

Определение параметров крутильных колебаний

бурильного вала

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Москва - 1999г.

Оглавление

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

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

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

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

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

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

1.2. Изучение колебаний бурильной колонны как самостоятельного

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВВЕДЕНИЕ.

Известно, что эффективность процесса бурения во многом зависит от динамических процессов, возникающих в системе «бурильный вал - ствол скважины». Эти процессы (продольные, поперечные и крутильные колебания) отрицательно влияют на процесс бурения: резко увеличиваются затраты мощности на вращение самой колонны, увеличивается вероятность поломок бурильного вала и породоразрушающего инструмента, падает механическая скорость, снижается выход керна, и т.д.

До настоящего времени в научно - технической литературе нет достаточного анализа зависимости мощности, потребляемой в процессе бурения от частоты вращения бурильного вала. Зависимости, приводимые в литературе, имеют эмпирический характер, во многом противоречивый, так как не учитывают многих факторов, имеющих место в период бурения скважины. В частности, недостаточно изучены параметры динамических режимов: - частота (А,) и амплитуды (А) крутильных колебаний.

Целью работы является изучение возможных идеализированных форм движения бурильной колонны в скважине для установления влияния относительной, переносной угловых скоростей на параметры крутильных колебаний - частоту (к) и амплитуду (А). Установление аналитической зависимости динамической составляющей затрат мощности на вращение бурильного вала с учетом указанных параметров. Поиск условий для обеспечения надежности колонны при ее эксплуатации.

В период работы над диссертацией было изучено более70 научно -исследовательских работ, список которых прилагается; изучены и учтены данные по бурению более чем 40 скважин в различных регионах России; проведены более 20

стендовых и лабораторных исследований. Основные результаты работы изложены в четырех опубликованных статьях, и трех докладах на научных конференциях.

В диссертационной работе широко использованы математические методы дифференциального исчисления и прикладной механики, в частности для расчета собственной частоты крутильных колебаний и поиска оптимальных размеров радиальных зазоров (использована третья теория прочности).

Работа состоит из введения, трех глав и заключения.

В главе 1 проводится анализ известных работ по исследованию характера работы бурильного вала, колебательных процессов и затрат мощности. На базе анализа литературного материала конкретизируются задачи исследований.

В главе 2 обосновывается методика исследований и проводится теоретическое обоснование решения некоторых задач, связанных с определением частоты (X) и амплитуды (А) крутильных колебаний, которые зависят от динамики бурильной колонны. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В главе 3 представлены примеры практического использования исследуемых параметров крутильных колебаний в расчетах затрат мощности и прочности бурильного вала. В заключении приведены общие выводы и предложения о развитии научно-исследовательских работ в этой области.

Работа выполнена на кафедре «Разведочного бурения» Московской геологоразведочной академии. Диссертационная работа изложена на 165 машинописных листах, иллюстрирована 34 рисунками и 16 таблицами.

Автор искренне благодарен научному руководителю д.т.н., профессору Калинину А.Г., консультанту к.т.н., профессору Зиненко В.П., а также сотрудникам кафедры разведочного бурения Ганджумяну P.A., Пенкевичу C.B., Хромину Е.Д., Куликову В.В., Радину А.И., Тунгусову A.A., Назарову А.П., оказавшим поддержку и практическую помощь при выполнении диссертационной работы.

Глава 1.

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

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

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

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

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

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

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

§1.1 Обзор и анализ представлений об особенностях движения бурильного

вала в скважине.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

§ 1.1.1. Влияние задаваемой частоты вращения бурильной колонны на вид

движения произвольного сечения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды движения в системе ЛБТН - 42/136

Рис. 1.1. �