автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности спускоподъемных операций при бурении пологонаправленных скважин

На правах рукописи

РГ5 ОД

:;

ЛАЛАЕВ АЛЕКСАНДР ЭДУАРДОВИЧ . у

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПУСКОПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ БУРЕНИИ ПОЛОГОНАПРАВ ЛЕННЫХ СКВАЖИН

Специальность: 05.05.06 - "Горные машины"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 2000

Работа выполнена в Северо-Кавказском ордена Дружбы нарс государственном технологическом университете

Научные руководители:: доктор технических наук, профессор

Кодзаев Юрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент Хосаев Хазби Сахамович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сысоев Николай Иванович, кандидат технических наук Гаврилевский Олег Иванович.

Ведущее предприятие: Тырныаузский ГОК.

Защита состоится " 30 " июня 2000 г. в 12°° часов на заседа регионального специализированного Совета Д 063.12.01 при Сев Кавказском государственном технологическом университете по ад{ 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГТУ, с 8(867-2)-74-99-45.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печа" просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке универсш Автореферат разослан 29 мая 2000 г.

Ученый секретарь совета, К.Т.Н., доц.

Ю.И.Кондрата

И13иКШ~563,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для отработки месторождений, представ-ных рудными телами значительной мощности и протяженности астообразные, штокообразные, линзообразные залежи и т.д.), ис-ьзуются пологонаправленные скважины протяженностью до 300 м. ювременно с отработкой, как правило, осуществляется и эксплуата-нная доразведка месторождений.

Глубокие пологонаправленные скважины применяются и для уве-ения дебита водо-, газо-нефтедобьшающих скважин, создания по-гей в недрах земли для хранения газа и нефти, подземного выщела-

оптжп гтт* плтт^^чгилн т'оотжг^тжж/чдттмгтг \ГГТТАТГ Т* ТТПХТПТУ ЦЙТТОМ Ли. ----*---, -. - - - ~ ----.. ~ ^ . . - '—•--------- " * •

и таких скваж1Ш пока невелики. Около 90 % из их общего объема ют глубину до 100 м. Механическая скорость бурения составляет ■ 1,5 м/ч, а производительность бурения - 190 - 300 м/станко-месяц. эмогательные работы занимают 25 - 40 % от общего баланса рабо-' времени, в том числе спускоподьемные операции - до 27 %. Столь низкие технико-экономические показатели можно объяснить что отечественное серийное буровое оборудование предназначено, новном, для бурения вертикальных и наклонных скважин, спуско-ьемные операции проводятся с помощью канатно-талевой системы, не обеспечивает ни безопасного ведения работ, ни высокой произ-[тельности. Поэтому совершенствование механизмов подачи буро-станков, направленное на повышение их эффективности при буре-пологонаправленных скважин, представляется актуальной задачей. Цель работы - повышение эффективности работы бурового обору-ния и обеспечение безопасных приемов доставки и извлечения бу-ных труб в глубокие пологонаправленные скважины. Научная идея. Применение замкнутых цепей в качестве подающего на механизма подачи бурильных труб, размещенного на буровом ке, обеспечит наибольшую эффективность спускоподъемных опей при бурении пологонаправленных скважин и безопасность веде-5уровых работ. Методы исследований.

Обобщение и критический анализ литературных данных. Теорети-ге исследования выполнены на основе решения дифференциального ¡гения изгиба бурильных труб в искривленном стволе скважины, граторные и натурные эксперименты проводили с использованием цов динамометрии, результаты экспериментов обрабатывали с енением методов математической статистики. Защищаемые научные положения.

I. Механико-математическая модель движения колонны бурильных в пологонаправленных скважинах при проведении спускоподъем-эпераций является основным фактором, определяющим конструк-

тивные параметры механизма подачи бурильных труб.

2. Конструкция механизма подачи бурильных труб, разработанна на основе минимизации затрат времени на проведение спускоподьен ных операций позволяет повысить эффективность и безопасность рабе по доставке и извлечению колонны бурильных труб.

3. Конструкция прижимного устройства механизма подачи б; рильных труб, обеспечивающая надежный прижим без проскальзыв; ния и деформации бурильных труб 4-х типа размеров, определяется bi личиной угла между направляющими боковыми прижимными повер: ностями призматической плашки, который составил 70° 33'.

Научная новизна.

I Dttö«t>t та ттгчатттгА-т'атто iravnrmri*n И юта» »1 тгтттолт'П гт nwrs тгаттт

A^liW^/iJlllv Л. W^JXU y^WilU mvAUtUAlVV; iUUlwiUMlll iWWiVU/l lUÜ^V JJL£>) IvU X

по сравнению с существующими моделями наиболее точно учитывав механизм взаимодействия колонны бурильных труб со стенками скв; жины при проведении спускоподьемных операций.

Впервые установлено:

- число полуволн определяется лишь силой сопротивления при п редвижении абсолютно жесткой колонны бурильных труб;

- дополнительные силы реакции на гребнях полуволн сосредоточ ны в пределах одной полуволны и не увеличивают число полуволн;

- на силы сопротивления дополнительно влияет сила реакции точках перегиба рассматриваемого участка.

2. Установлен рациональный угол между направляющими боковь ми прижимными поверхностями призматической плашки с 3-мя точк; ми контакта.

Научное значение.

1. Полученные расчетные выражения для определения сил сопр< тивления перемещению колонны бурильных труб на основе механик« математической модели позволили разработать наиболее рационал! ную конструкцию механизма подачи бурильных труб.

2. Установленная зависимость усилия прижатия плашки к бурит ной колонне от глубины скважины позволила выбрать трехточечну конструкцию, которая обеспечит наиболее оптимальное усилие приж; тия, не деформируя бурильную трубу.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов рекомендаций обеспечиваются выбором комплексного метода исслед< ваний, сочетающего теоретические обобщения с экспериментальным исследованиями и подтверждаются сходимостью с результатами эксп риментов в производственных условиях, которые составили 82 %.

Реализация результатов работы.

Разработанный образец "Механизм подачи бурильных труб" бь; применен при бурении 2-х опытных скважин на Тырныаузском ГОКе рекомендован для дальнейшего использования при разработке мест< рождения.

Механико-математическая модель используется в учебном процессе эагментарно при разработке проектов по курсу "Разведочное буре-1е" и дипломных проектов.

Практическое значение заключается:

1.В создании опытного образца "Механизм подачи бурильных уб", позволяющего увеличить скорость спускоподьемных операции в 5-1,8 раза при бурении глубоких пологонаправленных скважин.

2. В определении оптимальной конфигурации прижимных плашек, о позволяет увеличить срок эксплуатации бурильных труб.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докла-

о о тгтт^т т» ттлтгш»ттт» ттл тт/~» * гтттотт. т гтгъ лпатггмг тт«-1 лчАаглтп IV ТЛТ1Г

^««•Мши Л АХЪ/М^ Ч/М V Л А^/ Я ЦА< ЖАЛ -Д. V

1ГТУ с 1996-1999 гт., на техническом совете Тырныаузского ГОКа 00 г.), на заседании кафедры " Геология и поисково-разведочное дело ЖГУ (2000 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опу-псованы в 7 статьях.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 132 страни-; машинописного текста, содержит введение, четыре главы и заклю-ие, список литературы го 56 наименований, 30 рисунков, 13 таблиц и шожений на 33 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Работа базируется на трудах отечественных ученых в области разотки и исследования техники бурения: С.А.Волкова, Д.Н. Башкато-Б.И. Воздвиженскова, Ю.В. Кодзаева, С.Г. Гозюмова, О.И. Гаври-жого, Д.П. Бронникова, А.Е. Колесникова, С.С. Сулакшина и др. В первой главе рассмотрено современное состояние исследуемого роса и анализ различных схем проведения спускоподьелшых опе-;гй. Спускоподьемные операции при бурении пологонаправленных 1жин - наиболее длительный, трудоемкий процесс и занимает 30-о от общего баланса времени буровых работ. Научно-исследователь-конструкторские и производственные организации уделяют мало лания вопросам механизации спускоподьемных операций и поэтому ительная часть процессов при этом выполняется вручную. В настоящее время применяются три основные схемы проведения коподьемных операций при бурении пологонаправленных скважин:

1. С применением лебедки бурового станка и системы блоков с тро-

2. С применением двухбарабанной лебедки (автономной или рас-женной на буровом станке);

3. С применением специальных подъемников (экстракторов). Несмотря на значительное количество разработок по механизации

спускоподъемных операций, механизмы не обеспечивают повышени: производительности работы бурового оборудования и безопаспосп труда.

На основании вышеизложенного сформулированы следующие за дачи исследования:

1. Теоретическое обоснование влияния сил сопротивления переме щению колонны бурильных труб при проведении спускоподьемны; операций в искривленном стволе скважины на конструктивные пара метры механизма подачи бурильных труб.

2. Исследование затрат времени на проведение спускоподьемны: операций с применением различных средств механизации и выбор кон струкцми механизма подачи бурильных труб.

3. Выбор конфигурации прижимного устройства механизма подач! бурильных труб и определите рационального угла между направляю щими боковыми прижимными поверхностями призматической плашки.

4. Экспериментальные исследования и определение экономическо1 эффективности применения механизма подачи бурильных труб.

Во второй главе приведены теоретические исследования сил сопро тивления передвижению колонны бурильных труб при проведешп спускоподъемных операций в пологонаправленных скважинах

При спускоподъемных операциях по мере продвижения колоши бурильных труб в искривленном стволе скважины ось колонны изги бается и принимает очертания скважины. Кроме этого, в результат действия движущей сверхкритической осевой силы колонна искривляет ся и принимает волнистую форму. Как правило, кривизна скважины яв ляется постоянной величиной, не зависящей от продольной координат!

х. Обозначим кривизну оси скважины через с= с(х). ф

Как известно, С = —, (1

dx

где р = Да) - функция, выражающая угол искривления оси скважины.

Наблюдения показывают, что с ® 0,01 градус/м или

7С

С =--10 , рад/м. (2

180

Известно^ что линия, имеющая постоянную кривизну, являете окружностью с радиусом, равным величине кривизны: г= 1/с« 180/яг- Ю"2 = 6000 м.

Уравнение этой окружности имеет вид

(Uo-rf + x(3

Выделим участок колонны длиной, равной одной полуволне межд гребнем и подошвой (рис. 1,2). Для этого участка дифференциально уравнение изгиба колонны имеет следующий вид:

г

Рис.2. Схема полного искривления оси колонны бурильных труб в искривленной скважине.

Е1^+Ги = +М1-Я1х + да^-, (4)

ах' 2

О < х< I, : Е1 - жесткость колонны, Нм2;

1/ = Ьг(х) - функция, выражающая уравнение оси искривленной ко-шы;

Г- осевая сила, перемещающая колонну, Н;

М\ - момент, обусловленный действием левой от точки А части козны, Нм; К\ - сила реакции левой части, Н;

<7а - составляющая силы тяжести на погонный метр колонны: 9а =?СОг5

: д - сила тяжести на погонный метр колонны, Н/м;

а0 - угол наклона оси ствола к горизонту в устье (т.е. при I =0); £ - расстояние от устья скважины Аь М; С - кривизна скважины, градус/м.

Граничные условия относительно функции изгиба Щх) запишутся следующим образом:

Цд) = 0 прилг=0;

В-(1

—

при х-

сгЦ(х)

(1х2 <т(х)

ёх

= 0

= 0 при х

при х= 0; 2"

(5)

(6)

где В - диаметр скважин, м;

(1 - внешний диаметр колонны, м.

Отметим, что граничные условия (5) выражают шарнирное закрепление выделенного участка в точках Ах и А2.

Граничные условия (6) выражают то, что колонна соприкасается со

л(1В-й\

стенкой скважины в точке Л2 —;- и в этой точке функция 1Хх1

"\1 2 )

имеет экстремум, что механически равносильно жесткому заделу. В связи с тем, что в точках /1,(0:0) и А2( £ :0) принимаются шарнирные закрепления рассматриваемого участка, то из уравнения (4), М) = 0.

Дифференциальное уравнение (4) с граничными условиями (5) и (6^ представляет собой механико-математическую модель процесса изгиба колонны в скважине при спускоподьемных операциях.

В результате решения уравнения (4) с граничными условиями (5) и (6) получается следующее выражение для силы реакции стенки скважины в точке А.

,3 , ^

(I) - й)Епг

+-

-1+

24а X

и 2да

соэ--

и и . и

—сое —- вт—

(7:

где X =

Е1

Вычислим дополнительную силу давления, действующую в точк« перегиба колонны. Очевидно, что

(в:

Численные расчеты показывают, что \Ra | = |, поэтому

Итак, на гребнях и подошвах изогнутой колонны действуют силы

акции стенки на колонну по величине равные 2|RA |.

Составим уравнение равновесия сил, действующих на колонну, шжущуюся с постоянной скоростью по горизонтальной скважине:

F - \iqzL - ji(2n - |=0, (9)

;е L - дшша колонны в скважине, м; ц - коэффициент трения колонны о жерлносхь скважины; н - числи полуволн и искривленной колонне; F -хвижущая осевая сила, Н; z - параметр, связанный с недостающей до :лой полуволны частью колонны.

Проанализируем силу реакции стенки скважины в точке А на ко-

>нну бурильных труб. При sin — = 0 положение изогнутой колонны

фильных труб становится неустойчивым. В этом случае число полу-)лн изменяется и одно устойчивое положение изогнутой оси перескатает в другое устойчивое положение с друпш числом полуволн.

. и л и

При выполнении условия Sin— = О, — = ТС выражение (7) фощается и принимает вид:

i„ i 2(D-d)X2EI ql q

=—-1-+ + (10)

1 M i 2 x2¿

В этом случае длина полуволны определяется го условия

.и п и

1П — = U, — = л или 2 2

„ . Щ

Í = 2тгл—, (11)

V F

е. в этом случае длина полуволны в два раза больше, чем дшша, полу-1емая по формуле Эйлера

W

í = 7Ц-. (12)

V F

Такое расхождение в длине полуволны связано со схематизацией адачи, о которой было сказано выше. В частности, в пределах одной олуволны участок изогнутой колонны схематизируется как отдельный гержень с шарнирно закрепленными концами. В докритическом со-

стоянии стержень изогнут по одной полуволне, в закритическом - в вид двух полуволн. Следовательно, в закритическом состоянии число пол} волн удваивается.

В случаях, подобных рассматриваемой задаче, длина полуволш определяется из первого критического состояния, т.е. числом Эйлер* При таком значении длины полуволны изогнутая ось стержня находит ся в устойчивом положении.

Установим силу сопротивления при устойчивом положении колое

ны.

В этом случае

и тх . и , и .

— = —: sin — = 1: cos— = 0: (^

2 2' 2 ' 2

Формула (7) сильно упрощается и принимает вид:

ÍEI F

Следовательно, силы реакции на гребнях волн не зависят от веш чины зазора между поверхностями стержня и скважины. Такое утверя дение имеет место при малых значениях этого зазора и не очень бол] ших значениях жесткости материала колонны.

Для значении зазора порядка D - d а 0,009 м длину полуволны приблизительно можно считать равной длине дуги.

Некоторые исследователи все же учитывают разность дли - i = Ai и тем самым переносят свои теоретические разработки t случай конечных изгибов оси колонны. Такой подход к теории коне1 ных изгибов не может считаться правильным.

Вычислим силу полного сопротивления, которая действует на к< лонну. Очевидно, что число полуволн в изогнутой колонне вычисляет по зависимости

L

п- —

U.

где квадратные скобки выражают целую часть частного L! Í .

Выше было показано, что в узловых точках действуют дополн

тельные силы реакции от стенок, равные по величине •

Количество узловых точек будет п - 1. К этим узлам добавляют еще крайние полуузлы, которые совместно составляют один полнь узел. Если LI I - представляет целое число л плюс некоторую дробь, " для силы полного сопротивления получается формула (15), предста ляющая расчетную зависимость для определения силы сопротивлеш колонны бурильных труб при спуске в горизонтальную скважину:

2 а

Г = ц(2/1 -1) + \yzqi, (15)

X

ь Ш

р — = п+г, г = < — >.

I и/

Фигурная скобка означает дробную часть частного ЫI. Очевидно, что изгиб колонны на полуволны обусловлен силой ) = Ма^ (т-е- силой сопротивления перемещению абсолютно жесткой

лонны). Допол1Штельные силы сопротивления, обусловленные реак-:ей стенки скважины, сосредоточены в пределах одной полуволны и не особны увеличивать число полуволн.

Проф. Кодзаевым Ю.В. экспериментально установлено, что на ждьге 100 м ось сквалсины искривляется приблизительно на 1°.

Тогда искривленная ось скважины описывается следующей функ-гй:

и0(х') = ±х'2. (16)

2 г

Формула (16) написана относительно прямоугольной системы ко-цшат х'Ои', где точка О' взята в начале скважины, ось х' направлена касательной к окружности и под углом а к горизонту.

Предполагая, что ось колонны искривлена по зависимости (16), со-вим дифференциальное уравнение искривления скважины (4):

й2и ГА ¥

Е1——у- + ЛУ0 = М(х) = — +—х2. (17)

йх г 2 г

Ось колонны дополнительно искривляется и принимает волнистую му:

Цх) = Щх) + И». (18)

Дифференциальное уравнение изгиба колонны (17) принимает вид:

йгУ с12и

Е1 — + FF = -Е1—± - + М0(х), (19) ах ах

М0(х) - изгибающий момент от силы тяжести, силы реакции стенки жины и от сил, обусловленных искривлением. Рассмотрим участок колонны в пределах длины полуволны £:

г<х<е*+£,

€ - расстояние от начала скважины до начала рассматриваемого пса,м.

После некоторых преобразований дифференциальное уравнение финимает вид:

rTd2V (n Ft ] q 2

EI—-+/Т = - i?, +-- \х + ^х2. (20)

dx2 V r ) 2

Для дифференциального уравнения (10) поставим следующие граничные условия:

D-d £

Мд) = 0 при х= 0; W(x) = —-— при х= —; (21)

dV(x) Л I

-— = 0 при х= -. (22)

dx 2

ТЛо líOTinOTfff irniínnT(V>Vnrr» ЛПРТЛОШ^а Т»ОПГТПЛГпй ГЛТТЛИШ.1

Г. и - и и

sin—= 0; cos—= -1; — = 7;.

Выражение для силы реакции стенки скважины в точке А упростится и примет вид:

_ 2(D-d)EIl2 q£ 2Ft Ц

Rj — —---+-+ -Г-. (23)

^ £ 2 г XI

Сила реакции в точке А имеет положительный знак. Механический смысл этого обстоятельства заключается в том, что полуволна в точке А представляется в подвешенном состоянии.

Вычислим полную силу сопротивления, действующую на колонну. Пусть число полуволн равно л. Очевидно, что половина числа полуволн приходятся на нижнюю стенку скважины, а половина - на верхнюю.

Сила реакции на верхней стенке будет равна нижней(Лл = RA ).

Рассмотрим устойчивое положение колонны. При устойчивом положении длина полуволны определяется по зависимости:

XI Х£

sinAi = 0; Х£ = к\ sin—=1; cos— = 0.

2 2 Тогда уравнение статики упрощается и принимает вид:

„ 2 q 2Ft

RA=-± +-. (24)

А г

Из этой формулы можно сделать важное заключение о том, что учет искривления скважины влечет за собой увеличение силы реакции на полуволне. Значит полная сила реакции стенки скважины на колон-FL т

ну составит П-. Тогда полная сила сопротивления перемещению ко-

Г

лонны в искривленном стволе скважины:

^ = + + (25)

у X г

де Г0 - представляет осевую силу, которая способствует подъему колон-ил из скважины, Г0 = \i-qL, Н; л - число полуволн; £ - длина колонны, м; I - длина полуволны, м; д - вес одного погонного метра бурильной рубы, Н/м; ц - коэффициент трения; г- радиус кривизны скважины, м;

г - дробная часть числа —; X =

I \Е1

Учет искривления скважины существенно увеличивает силу сопро-ивления на колонну. В процентном отношении это уточнение составляет около 40 %. При спускоподьемных операциях в пологовосстающей кважине сила сопротивления, действующая на перемещение колонны, станавливается по аналогии выражения (25). Разница заключается в ом, что величина ц, заменяется на удельную силу давления, т.е. дсоь ос, де а - угол наклона скважины в ее устье к горизонту.

Кроме этого, к осевой силе необходимо добавить составляющую илы тяжести колонны по продольному направлению, т.е. а.

В результате получим:

/' = /',+ ц(2я -1) 2?С°5(Х +пц ^^ + \xzlqcos а , (26) X г

пг

= дЬвта, Еа = дЦрта+\лсоэа), Х = А—.

V Е1

На угол наклона налагается ограничение, которое имеет следую-дай вид:

|г§а| < ц.

Тогда при подъеме усилие

- дЬьто.. (27)

Для определения силы сопротивления, действующей при перемеще-ии колонны в пологонаклонной скважине необходимо угол взять от-ицательным. Тогда

= -Я + ц(2п -1) 2^С05(Х + П[Х ^^- + \xziqсо% а, (28) X Г

Е1 = -дЬвта, Еа = ^(-эта +|лсоза).

При подъеме усилие

Р ~ д1л та + /К}£соза. (29)

В ходе решения механико-математической модели получена новая асчетная формула для определения силы сопротивления перемещению

Колонны бурильных труб в искривленном стволе скважины, которая более точно учитывает все физико-механические процессы при проведении спускоподьемных операций.

В третьей главе проведены исследования и разработка механизма спускоподьемных операций.

На основе проведенных исследований затрат времени при спускоподьемных операциях в пологонаправленных скважинах можно сделан вывод, что наименьшие затраты времени на проведение спускоподьем' ных операций у податчика бурильных труб-1.

г Однако податчик бурильных труб-1 является отдельным механиз мом и располагается рядом с буровым станком. Два громоздких меха низня, расположенных в стесненных (условиях) подземной буровой ка меры, требуют увеличения ее размеров, что, в свою очередь, вызовеч удорожание буровых работ. Необходимо, не меняя принципиальную схему податчика бурильных труб - 1, разместить его на буровом станк< вместо лебедки.

Принцип работы механизма подачи бурильных труб основан ш движении двух замкнутых бесконечных цепных конвейеров, на каждол звене которых закреплены специальные плашки, с помощью которы; захватывается и протягивается бурильная труба. Изменение направле Вия вращения электродвигателя станка обеспечивает перемещение бу рильной трубы в ту или иную сторону.

Бесконечные замкнутые цепи получают синхронное движение о-приводного вала лебедки через цепную подачу и звездочки. Кинемати ческая схема показана на рис.3.

Для проведения спускоподьемных операций на верхнем и нижнев конвейерах механизма подачи бурильных труб закреплены призматиче ские прижимные плашки. Так как при спускоподьемных операциях ис Пользуются бурильные трубы диаметрами 42; 50; 54 и 68 мм, то для и: более надежного захвата необходимо определить конфигурацию при Жимного устройства (плашки), (рис.6).

Исходя из того, что при зажиме бурильных труб диаметрами 42 ] 68 мм необходимо задаться определенными условиями работы приспо собления, возникает вопрос определения рационального угла между на правляющими боковыми прижимными поверхностями призматически плашек, который варьируется от 60 до 120°.

; Надежный захват трубы плашками будет обеспечен при следукяци условиях:

1 - при зажиме бурильной трубы диаметром 42 мм расстояние мея ду верхней и нижней призматическими плашками должно быть не мене 10 мм;

I 2 - при зажиме бурильной трубы диаметром 68 мм расстояние о точки контакта боковой поверхности с бурильной трубой до конц Этой поверхности должно составлять не менее 10 мм.

Рис.3. Кинематическая схема МПБТ. 1 - станина; 2 - цепь; 3 - прижим; 4 - кронштейны; 5 - плашки.

Рис.4. Схема призматической плашки с 3-мя точками контакта.

Задавая каждый раз новое значение угла между боковыми повер; ностями, необходимо определить длину боковых поверхностей призм* тической плашки прй зажиме бурильных труб диаметром 42-68 мм. Н рис.5 показана расчЬтная схема трехточечного контакта призматт ческой плашки с бурильной трубой диаметром 42 и 68 мм, где А и В точки контактов бокЬвых поверхностей призматической плашки с 6} рильной трубой; £ и £1 - длины боковых поверхностей призматическо плашки при контакте с бурильными трубами диаметрами 42 и 68 м\ I" и 1'г - длины от точки контакта до конца плашки, мм; Ли ^ - ради усы бурильных труб, мм; а - угол между боковыми поверхностям призмы, градус; р - угол образованный между прижимными силам; призматической плапрси, градус; у - угол между прижимными силами ] горизонталью, градус; X и © - углы между горизонтальными боковым) поверхностями, градус; С - точка контакта бурильной трубы с плос костью плашки.

Длину боковой поверхности призматической плашки для буриль ных труб 042 мм, при трехточечном контакте определим по формуле

¿ = + —(30

где Ь - расстояние между верхней призматической плашкой и нижне) плоской плашкой, равное 10 мм,

, Р.

у = —; к - — 1 2 2

¿ = 90-«; 2 2

Длина боковой поверхности призматической плашки при контакт с бурильной трубой диаметром 68 мм определяется по формуле

где £[' =10 мм (по условию, описанному выше).

Исходя из условия £ = ^ . 'нами установлен рациональный угол а,

который равен 70°33\ Угол р, образованный между направлениями прижимных сил, равен 109°27' (наиболее близкое значение к идеальному, которое составляет 120

Определив рациональный угол а для призматических плашек с 3-мя точками контакта, можно определить необходимую силу прижима трубы плашками, чтобы исключить ее проскальзывание и возможное раздавливание.

На основе расчетной схемы (рис.6) сила прижима

О = —7-(32)

, . а) 1+8111 — 2)

где Г- сила сопротивления передвижешно колонны бурильных труб, Н;

(Л1 - коэффициент трения в точках контакта бурильной трубы с плашкой, для рифленых поверхностей щ = (0,75*1).

Рис.6. Схема расчета сил прижатия для трехточечной прияшмнон

плашки.

Установлено, что для минимизации затрат времени на проведение спускоподьемных операций Целесообразно использовать механизм подачи бурильных труб (МПБТ) на основе замкнутых цепей с размещением его на буровом станке. Для обеспечения надежной работы прижимного устройства (плашек) механизма подачи бурильных труб (без проскальзывания и деформации бурильных труб) определен рациональный угол между направляющими боковыми прижимными поверхностями

тризматической плашки с 3-мя точками контакта, который составил

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования с ^пользованием опьпного образца механизма подачи бурильных труб i определение экономической эффективности.

Экспериментальные исследования проводили в геолого-разведоч-гой экспедиции Тырныаузского ГОКа.

При проведении эксперимента использовали буровой станок ЗИФ -550 М и установленный на нем механизм подачи бурильных труб, а гакже динамометр ДПУ-5-2.

Замеры проводили в горизонтальной скважине диаметром 59 мм до

""^'w,""/ rmtr *глг»лт»т лqt»огтт»т»г Д^ртулт^ттgt» -тру^т '«'«"¡^ ПНТН 5'l *I i

гологовосстающей скважине диаметром 59 мм до глубины 150 м с использованием бурильных труб типа СБТН-50.

Для определения усилий, необходимых при перемещении колонны, ютользовали динамометр, установленный между бурильными трубами.

В табл. 1 приведены результаты исследований.

На рис.7, 8 построены теоретические и экспериментальные графики здвисимости сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб эт глубины скважины.

Экспериментальные исследования по определению сил прижима шашки к бурильной трубе проводили в лабораторных условиях.

В ходе эксперимента использовали буровой станок ЗИФ-650 М и установленный на нем механизм подачи буприльных труб, 2 динамо-негра ДПУ-5-2, а также бурильные трубы 4-х типов: СБТН-42, СБТН-50, ЛБТН-54, ЛБТН-68. На верхний конвейер механизма подачи Зуприльных труб был установлен динамометр, при помощи которого определили величину сил прижима. Усилия сопротивления перемещению колонны бурильных труб при спускоподьемных операциях имитировались при помощи пружины и динамометра, установленных между неподвижной опорой и одним концом бурильной трубы.

В табл.2 приведены результаты эксперимента

По данным теоретических и экспериментальных исследований на эис.9 показаны трафики зависимости сил прижима плашки с 3-мя точками контакта к бурильной трубе СБТН-50.

В результате исследований установлено, что применение меха-гшзма подачи бурильных труб позволит увеличить сменную производи-гельностъ на 13,6 %, уменьшить стоимость одного метра бурения на 13 %, снизить удельные капитальные затраты на 34 %. Разница между результатами экспериментальных и теоретических исследований составила в среднем 18 %.

Параметры сил сопротивления перемещению колоты бурильных труб

Таблица 1

[О

о

Тип бурильной трубы Вид Глубина скважины, м Сила сопротивления перемещению колонны бурильных труб,Н

скважины исследований операции' 50 100 150 200 250 300

ЛБТН-54 горизонтальная Теоретический Доставка 577,7 1657,1 2745,2 3925,2 5635,5 7050,9

Извлечение 712 1425 2137,5 2850 3705 4275

Экспериментальный Доставка 699,7 1854,1 3016,4 4415,1 6570

Извлечение 822 1548,7 2467,1 3223,4 4278,6

СБТН-50 полого-восстающая Теоретический Доставка 1667,3 3697 6161,6 9056 12783 17860

Извлечение 54,4 108,9 163,0 217,8 273,25 326,7

Экспериментальный Доставка 1841,83 4158,7 7075,8

Извлечение 58 130,6 187

ис.1. Зависимость сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб СБТН-50 при спускоподъемных операциях в пологовосстающей скважине в зависимости от ее глубины. Доставка (1) и извлечение (1'), теоретические кривые; доставка (2) и извлечение (2').

у |^^

о 5о /оо /5о гсо зоо

'ис.8. Зависимость сил сопротивления перемещению колонны бурильных груб ЛБТН-54 при спускоподъемных операциях в горизонтальной скважине в зависимости от ее глубины. Доставка (7) и извлечение (1'), теоретические кривые; доставка (2) и извлечение (2').

Табл и ц а 2

Параметры сил прижима призматической плашки с 3-мя точками контакта к бурильной трубе

ы го

Тип бурильной трубы Вид Глубина скажины, м Сила сопротивления перемещению колонны бурильных труб, Н

исследований скважины операций 50 100 150 200 250 300

СБТН-50 теоретич1ХЯШЙ В Доставка 717,93 1591,9 2653,2 3899,5 5504,5 7690,2

Извлечение 23,42 46,89 70,18 93,7 117,66 140,67

Г Доставка 375,48 901,45 1483,5 2167,4 2995,6 3981

Извлечение 390,55 781,53 1172,3 1563,1 1953,8 2344,6

н Доставка 9,5 316,81 610,6 880,82 1200,2 1549,4

Извлечение 630,39 1260,9 1891,3 2521,7 3152,2 3782,6

экспериментальный в Доставка 798,8 1759,7 2980 4376,3 6339,3 8851,7

Извлечение 27,2 52,7 81 106,6 136,5 162,6

г Доставка 421,6 1000,8 1670,2 2437,6 3453,2 4585,8

Извлечение 437,6 868,3 1322 1759,2 2254,4 2705

н Доставка 10,1 349,9 684,1 988,4 1382,9 1783,7

Извлечение 702,8 1395,1 2127,3 2834,4 3633,8 4359

В - пологовосстающая; Г - горизонтальная; Н - пологонаклонная.

0. «и

7 6 5 к 3

г {

о

О.нИ 5 V 5

2 {

/

г/

/V

<<

1 1 1» ^^

--- ---- _ -г и — —<

2' 2

50

{00

№

200

250

300

,__«- * ~я , *"

- Ш* »» ц"3™

50

■ТОО

№

200

250

300 ¿, л/

Рис. 9. Зависимость сил прижатия плашки с 3-мя точками контакта при ц = 0,3 с бурильной трубой СБТН-50 от глубины скважины: а - полого-восстающей; горизонтальной; в - пологонаклонной; 1 -доставка; 2 - извлечение: кривые 1,2 - теоретические; Г, 2'- экспериментальные

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-практи ческая задача по повышению эффективности работы бурового обору дования за счет увеличения скорости спускоподьемных операций I обеспечения безопасных приемов доставки и извлечения бурильны: труб при бурении пологонаправленных скважин.

На основании выполненных теоретических и экспериментальны: работ сформулированы основные результаты проведенных исследова ний:

1. Разработана механико-математическая модель взаимодействш

угчттоцггт.т бурИДЬНЫХ Труб СО ¡¡^"бо11^ тлпап II'

тъшающая все физико-механические процессы при проведении спуско подъемных операций. В результате получены расчетные зависимости по определению сил сопротивления перемещению колонны бурильны) труб в горизонтальной, пологовосстающей и пологонаклонной сква жинах.

2. Разработана конструкция механизма подачи бурильных труб дш проведения спускоподьемных операций. Размещение механизма подач! бурильных труб на буровом станке позволяет в 1,5-1,8 раза увеличит! скорость спускоподьемных операций, на 13,6 % повысить сменную про изводительностъ бурения, на 13 % снизить стоимость бурения одногс метра и на 34 %.уменылить капитальные затраты

3. Разработана конструкция прижимного устройства (плашек) позволяющая исключить возможность проскальзывания и деформация бурильных труб диаметром 42; 50; 54 и 68 мм с 3-мя точками контакта и рациональным углом между боковыми поверхностями 70°33'.

4. Производственные исследования подтвердили теоретические исследования по учету сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб. Разница между результатами экспериментальных и теоретических исследований составила в среднем 18 %.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТАХ.

1. Кодзаев Ю.В., Лалаев А.Э. Механизация спускоподьемных операций при бурении глубоких взрывных скважин //Владикавказ. Тр. СКГТУ, вып. 3, 1997.

2. Кодзаев Ю.В., Лалаев А.Э. Податчик бурильных труб в полого-направленные скважины //Владикавказ, Тр. СКГТУ,вып. 3,1997.

3. Кодзаев Ю.В., Лалаев А.Э. Технико-экономические показатели применения податчика бурильных труб в пологонаправленных скважинах //Владикавказ, Тр. СКГТУ, вып. 4,1998.

4. Лалаев А.Э.. Механизация спускоподъемных оиерагщй при буре-ш горизонтальных и пологонаправленных скважин //Деп. ВИНИТИ > 3677-В98 от 15.12.98.

5. Лалаев А.Э., Музаев И.Д., Кодзаез Ю.В., Хосаев Х.С. Математи-ское описание сил сопротивления перемещению колонны бурильных >уб в горизонтальной скважине //Владикавказ. Сб. научн. тр. аспнран->в СКГТУ, 1999.

6. Кодзаев Ю.В., Лалаев А.Э. Анализ сменной производительности с яшенением различных способов проведения спускоподъемных опера-1Й //Владикавказ. Сб. научн. тр. аспирантов СКГТУ, 1999.

7. Музаев И.Д., Хосаев Х.С., Лалаев А.Э. Постановка и решение на-

I ТГС- IX ГЧ О РО Л и •Ъ'Л ТТЧТТТГ ичтвч'^тгшолгли Г\ 1ХТТТТ Т/ПГТЛЦЩ.Т £л\ Т-

шьных труб //Владикавказ. Материал НТК, посвященной 60-летию ИСа СКГТУ, 1998.

►дпнсано в печать 26.05.2000 г. Тира® 80 экз. Объем 1,0 пл. дательство "Терек". Подразделение оперативной полиграфии СКГТУ Владикавказ, ул.Николаева, 44.