автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка гидро-механического способа ликвидации прихватов на основе изучения напряженно-деформированного состояния бурильной колонны

РГб ид 2 5 М1Р да

Национальная холдинговая компания "УЗБЕКНЕФТЕГАЗ" Открытое акционерное общество "УЗЛИТИНЕФТГАЗ"

УДК 622.248.54 На правах рукописи

Джанзаков Ислам Исагалиевич

РАЗРАБОТКА ГИДРО МЕХАНИЧЕСКОГО СПОСОБА ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТОВ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Специальность 05.15.10 "Бурение скважин"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент 2000

Работа выполнена в Атырауском институте нефти и газа Республики Казахстан и Ташкентском Государственном Техническом университете им. А.Р.Беруни.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент A.M. АМИНОВ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ж.А. АКИЛОВ

кандидат технических наук, доцент Е. А. ЛЫКОВ

Ведущая организация:

Акционерная компания "Узгеонефтегаздобыча"

Защита состоится 24 марта 2000 г. в 1400 час на заседании специализированного Совета К 126.01.01 при ОАО "УзЛИТИнефтгаз" по адресу: г. Ташкент, ул. Т. Шевченко, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института "УзЛИТИнефтгаз".

Автореферат разослан с? А О2 , 2000 г,

Отзывы на автореферат можно направлять по телефаксу 8-(3712)-56-66-48 по телетайпу 116486 "НУР"

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук / '

Р.Д.ПУЛАТОВ

ШЪ1 -565-01,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К наиболее часто встречающимся видам осложнений при бурении скважин относится прихват бурильных колонн. Этот вид осложнении представляет собой одну из самых серьезных проблем бурения как в Республике Казахстан так и за рубежом. Большое значение в совершенствовании техники и технологии ликвидации прихватов имеет современное обобщение передового отечественного и зарубежного опыта.

Для всех видов прихватов характерным является то, что колонна на некотором своем протяжении оказывается достаточно прочно связанной со стенкой скважины. Роль "клея", связывающего трубу со стенкой скважины выполняют глинистые корки, образующиеся из глинистого раствора, частиц разбуренной и осыпавшейся со стенок скважины горной породы. При ликвидации прихвата прочность самой колонны становится ограничивающим фактором, поскольку, приложение больших усилий приводит сначала к обрыву колонн, при этом необходимое усилие для освобождения колонны так и не будет достигнуто. Это обстоятельство и есть главная причина трудностей борьбы с прихватами, причем до настоящего времени эффективные средства ликвидации всех типов прихватов отсутствуют.

Цель работы. Изучение природы силы, обусловленной непосредственным контактом бурильной колонны с глинистой коркой и буровым раствором при различных режимах движения колонны; оценка напряженно-деформированного состояния бурильных колонн при развитии двух видов (упругого и упруго-пластического) сопротивления слоя среды (породы), заполняющего пространство между колонной и стенкой скважины; исследование колебательных процессов в бурильной динамической системе в условиях прихвата колонн в скважине; разработка гвдро-механического устройства в компоновке бурильной динамической системы, реализующей эффективный способ ликвидации прихватов и обоснование выбора его параметров.

Основные защищаемые положения:

- расчетные формулы для изучения природы сил взаимодействия бурильной колонны со стенками скважины при различных видах бурового раствора (заполнителя) и режимах движения колонны;

- теоретическая модель для изучения процесса ликвидации прихвата деформируемых колонн в скважинах с одновременной оценкой прочности, конструктивной целостности;

- методика динамического расчета элементов бурильной системы в условия: прихвата при ударных и вибрационных воздействиях;

- использование в компоновке бурильной колонны ударного гидра механического устройства новой конструкции, обеспечивающего эффективны] способ ликвидации прихвата бурильной колонны в скважине.

Научная новизна. Получена зависимость между силой сопротивления 1 скоростью колонны в скважине. Установлено, что в общем случае эта зависимосг носит интегральный характер; предложена методика расчета напряженно деформированного состояния тела бурильной колонны в условиях прихвата пр; действии статических усилий, определена длина зоны проскальзывани деформируемой колонны по слою породной среды; установлена закономерност; движения деформируемой колонны, прихваченной в скважине при осевых ударны: и вибрационных воздействиях; дано обоснование выбора кинематических 1 динамических параметров ударного устройства в компоновке бурильной системы предназначенного для ликвидации прихвата колонны.

Достоверность полученных результатов и методика. Подтверждаете: теоретическими исследованиями, базирующимися на методах гидродинамию вязкой жидкости, теоретической механике и теории упругости, а также сравнение« с данными , полученными другими авторами.

Практическая ценность работы. Диссертация является частьн завершенных плановых работ института механики и машиноведения Академи наук Республики Казахстан в рамках темы "Механика прихвата бурильны: колонн".

Полученные в работе результаты расширяют практическую и теоретическун базу для разработки новых эффективных способов предупреждения и ликвидаци! прихватов бурильных колонн в скважине. Результаты могут быть использовань для совершенствования процесса проводки скважин, улучшать технико экономические показатели бурения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- научно-технической конференции "Комплексное использование местных минерально-сырьевых углеводородных ресурсов", ( г. Атырау, 1997 г.);

- научно-технической конференции "Проблемы освоения углеводородных ресурсов Прикаспия и Каспийского шельфа" ( г. Атырау, 1998 г.),

- международной конференции "Механика многофазных сред и распространение волн в сплошных средах", ( г. Ташкент, 1999 г.);

- Научно-практической конференции, посвященной 100-летию академика К.И. Сатпаева(г. Атырау, 1999 г.);

- на объединенном семинаре кафедр "Бурение нефтяных и газовых скважин", "Высшая математика" ."Прикладная теоретическая механика" (г.Атырау, Атырауский институт нефти газа, 1999 г.);

- на объединенном семинаре кафедр "Бурение нефтяных и газовых скважин", "Разработка нефтяных и газовых месторождений", "Теоретическая механика" и Научного центра "Борьба с осложнениями в процессе бурения скважин" ( г. Ташкент, ТашГТУ, 1999 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, изложенных на 127 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 37 рисунков, 70 наименований литературы и 2 приложения.

Автор выражает свою глубокую признательность профессору Мардонову Б.М. за оказанную помощь при выполнении данной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы, ставится цель работы и излагается методика исследований, их научная новизна и практическая ценность, реализация работы и краткое содержание работы.

Современные подходы к оценке факторов и условий, влияющих на возникновение прихватов, технологические приемы и технические средства предупреждения и ликвидации прихватов систематически изложены в работах А.К. Самотой, М.А. Галимова А.И. Булатова, A.B. Коломоеца, М.К. Савд-Рзе и др. В работе Н.Р. Рабиновича с позиции механики сплошной среды изучены механизмы развития сил сопротивления по времени после остановки колонны, где в частности отмечается, что прихват труб под действием перепада давления происходит главным образом вследствие снижения начального перового давления в глинистом слое за непроницаемым экраном.

Фильтрационный отток поровой жидкости из зоны экранирования способствует росту контактного напряжения, внедрению трубы в глинистый слой и, как следствие, росту сил сопротивления. С.С. Григоряном и его коллегами из Института механики МГУ предложен способ разрушения связи колонны с породой путем единовременного приложения к колонне статической силы и серии динамических силовых воздействий в зоне прихвата. Разработанное ими

телескопическое устройство (ВУК) позволяет наносить удары по прихваченно; колонне труб и воздействовать на область прихвата импульсно-динамическим; силами, вовлекая бурильную колонну в интенсивный колебательный процесс Классификация других технических средств для ликвидации прихватов приведен в работах А.К. Самотоя и A.B. Коломоеца. Вопросы гидродинамической проводю скважин в сложных условиях рассмотрены в работах У.Д. Мамаджановг A.A. Мовсумова и др. Установлено, что эффект демпфирующего влияния жидкост] определяются не только ее вязкостью, но и режимом течения, шириной канала . затрубном пространстве, а также частотой колебания колонны. Все эти факторь должны быть отражены в структуре закона трения. Однако его установлена требует постановки и решения задачи о совместных (связанных) колебания: бурильной колонны и промывочной жидкости. Отсутствие информации такой рода приводит к неопределенности при выяснении вопроса затухания волновы; процессов в бурильной колонне. Новый подход к решению указанной проблемь предложен в работах Г.Р. Новикова, Л. Голубева, где использована комплексна! теория поверхностного трения для установившихся колебаний колонны бурильныз труб. Комплексное представление силы поверхностного трения, в свою очередь приводит к интегральной зависимости контактной силы от перемещения. Е работах Ш.М. Айталиева, Б.М. Мардонова и А.К. Кудайкулова, основываясь н; такую зависимость, изучена динамика бурильных колонн в условиях прихвата Следует отметить, что вопросы борьбы с прихватами и ликвидации и; систематически разрабатываются исследовательскими организациями ВНИИКР i ВНИИЭНГ, ВНИИБТ и др.

Для ликвидации прихвата под действием перепада давления в работе Thomas R. Wood используется метод U-образной трубы, однако этот метод широкое распространение не получил. Разработанная :га этой основе ясса «Маеон> в основном используется при проводке скважины в морских условиях.

В первой главе приводится анализ факторов, приводящих к прихватак бурильных колонн, статистический обзор данных по прихватам за 5-10 лет i скважинах месторождений Атырауской области. Выявлены основные причинь возникновения осложнении, анализированы использованные при этом способы и> устранения, изложены выводы о характере и частоте возникновения прихват£ колонны в различных скважинах.

Во второй главе изложена методика определения контактных сиi взаимодействия недеформируемых бурильных колонн с породой при импульсные

и вибрационных воздействиях. Как уже отмечалось, основной предпосылкой освобождения колонны от прихвата с точки зрения механики является уменьшение до предельного значения величины силы связи между частицами породы (глинистой корки) и поверхности трубы, после достижения контактной силы этой величины происходит проскальзывание трубы относительно стенок скважины.

Если освобождение колонны от прихвата в скважине единовременным приложением статической силы невозможно, то можно попробовать разрушить связь колонны с породой путем приложения серии динамических воздействий, возбуждая по слоям глинистой корки и сечения колонны виброперемещения. В случае жесткой колонны вибровозмущение к частицам породы передается по всей ее длине, но эффект вибрации в зависимости от изменения реологических свойств бурового раствора может проявляться по разному, причем в некоторых случаях вибрация может привести к дополнительному уплотнению материала породы (корки) и таким образом, к росту величины силы страгивания. Вибрация может стать положительным фактором в том случае, когда вибрационная нагрузка имеет постоянную растягивающую составляющую, превосходящую амплитуду вибровоздействий. В этом случае увеличивается вероятность изменения исходной структуры глинистой корки или бурового раствора. Для определения контактной силы взаимодействия колонны материал пристеночного слоя породы в пространстве между колонной и трубой моделирован вязкой ньютоновской , неныотоновской жидкостью и двухфазной средой. В случае ньютоновской жидкости получена интегральная зависимость между касательным напряжением и скоростью движения колонны.

RT fit

где а = —; т = —~г; рО, ц - плотность и динамическая вязкость жидкости, Лт и Rc-

/<с pji~c

радиус трубы и скважины, соответственно, / - время, V0(/) - скорость движения колонны, Rn (а) = ./„ (Лп) • N,, (Л„а) - J'„ (A,a)iV„ (Дл); No{z) - функции Бесселя первого и второго рода нулевого порядка. ||Л„||- норма собственных функций.

R„(г) = Л',,(Лиг)- Ja{l„) - Na{\)ja (¿„л), /„- корни уравнения R„(a)=0.

На рис. 1 представлены кривые зависимости касательного напряжения

функция Хевисайда. В расчетах принято N = 5, Too = О, to;= 0,01/, = 1, v02 = 1,5, v03 = 1, Vo4 = 0,5, Vos = 0 . Кривые построены при различных значениях параметра а (1 - а = 0,3; а = 0,5; 3 - а = 0,7 ),

На рис. 2 представлены кривые при изменении скорости удара по закону v0 = v01h(t - т№). Из кривых видно, что импульсные воздействия на колонну приведет к неравномерному изменению напряжения по времени на поверхности контакта с ростом параметра а максимальные значения напряжения существенно увеличиваются.

При сравнении кривых, представленных на рис.1 и рис.2 заметим, что при действии одиночного импульса напряжение на поверхности контакта быстро затухает.

Графики зависимости касательного напряжения на поверхности колонны при импульсивном движении

Использование формулы (1) для инженерного расчета касательного усилия на поверхности контакта неудобно, т.к. требует использования ЭВМ. В связи с этим предлагается приближенный способ представления распределения скорости в кольцевой области а <г< 1:

Рис.1

Рис.2

а

где

а

с0(г) и мф) - касательное напряжение и скорость трубы на поверхности контакта.

Пользуясь приближенной формулой, в этой же главе изучено поведение неньютоновской (модели Шведова-Бингама и Освальда-Вейса) жидкости при движении колонны в скважине по заданному закону Составлено

дифференциальное уравнение для определения границы движущейся части вязкопластической жидкости вдоль радиуса кольцевой области. Установлено, что при постоянной скорости движения трубы эта зона за незначительный промежуток времени достигает предельного значения.

Глинистые корки, слагающиеся из бурового раствора и частиц горных пород, характеризуются, как правило, сложной структурой флюидосодержащего пространства. Для описания движения таких сред в работе предложено использовать модель двухфазной взаимопроникающей среды, разработанной в работах М. Био, Х.А. Рахматулина и Б. Мардонова. Использование такой модели в расчетах показали, что характер изменения касательных усилий на поверхности контакта существенно отличаются от ранее использованной модели жидкости.

В третьей главе работы изучены вопросы статики и динамики деформируемой бурильной системы в условиях прихвата. Как известно, бурильная колонна представляет собой подвешенный упругий стержень большой протяженности,, который связывает долото и надземное оборудование и находится под действием сжимающих, растягивающих и скручивающихся сил. При этом целесообразно различать статические и динамические составляющие сил сопротивления. Последние обусловлены ударными, вибрационными, колебательными и волновыми процессами. При этом контактная сила проявляется только при присутствии нагрузки на трубы, нормально направленной к стенке скважины.

В работе использованы две модели взаимодействия бурильных колонн как деформируемый стержень с породой в статических условиях. В первом случае

принято, что поверхность стержня взаимодействуют с породой по закону Кулона-Амонтона.

Принимается, что длина зоны контакта постоянна и равна Н, при этом колонна контактируется с породой на глубине х = / ( ось ох направлена вдоль колонны сверху вниз). Установлено, что в зависимости от величины удельного сопротивления q (сопротивление за единицу площади поперечного сечения колонны) возможны два вида прихвата (неподвижного состояния) колонны: если

<7 < ч^ = то нижний торец опирается ( контактируется) с нижним основанием

к породе ( лобовое сопротивление не равно нулю) , если ц > цк, то нижний торец колонны свободен от напряжения ( состояние «висячего свая»). При действии внешней осевой силы о0, в зависимости от начального состояния (до приложения усилия), нарушение равновесия происходит по-разному. Если до приложения нагрузки оба торца колонны свободные, то нарушение равновесия происходит при Со > уЬ-цН, у- удельный вес материала колонны, А - длина колонны.

В качестве второй модели взаимодействия колонны с породой использована модель Винклера, согласно которой до наступления среза колонны по трубе сила контакта линейно зависит от перемещения сечения стержня. В этом случае, в зависимости от величины внешней нагрузки, удельного веса материала колонны и длины зоны прихвата, вдоль колонны могут образоваться как зоны проскальзывания и так и зоны без нарушения контакта.

Подробно анализирован случай , когда до момента приложения внешней осевой нагрузки нижний торец колонны находится в контакте с породой. При этом возможны случаи появления зоны проскальзывания до и после отрыва торца от нижнего основания.

Получена формула для вычисления значения осевого усилия о-ок , при котором начинается отрыв основания от нижнего основания:

о"«

Л0сйШ + А2зНШ

, . ,тг сИАН , скШ , ,

где Д. = —; А, = -—=--ЯсИШ

д 0 /+Я-Г 2 1+Н-1

, Д.-7=—-г — ^ -- • Н =- * / =— ■ Л — -

Л2(/+#-1) 2 И И '

В - модуль Юнга материала трубы, к - коэффициент линейного сопротивления среды при сдвиге за единицу длины зоны прихвата, S - площадь поперечного сечения трубы.

На рис. 3 представлены графики зависимости = от Н при / = 0,5 и

yh

различных значениях параметров X с ростом длины зоны прихвата величина а„к увеличивается и достигает максимального значения и далее она убывает. Из графиков заметим, что предельное значение осевого усилия, необходимое для отрыва колонн от основания при малых значениях параметра X (Х<1) практически не зависит от длины зоны прихвата.

С ростом величины осевого усилия (То упругий контакт в зоне прихвата , как было отмечено выше, нарушается и происходит проскальзывания (срез) колонны по поверхности контакта колонны со скважиной. Длина образованной зоны проскальзывания является неизвестной величиной и определяется по ходу решения.

Графики зависимости предельного напряжения от длины зоны прихвата

Рис. 3

На рис. 4 представлены кривые распределения продольного напряжения а0 вдоль колонны = х/Ъ) при Л= 3,1— 0,5 и различных значениях Н после отрыва ее торца от нижнего основания. Наличие зоны прихвата приведет к перераспределению напряжения вдоль колонны, причем "максимальное напряжение возникает там, где приложено внешнее усилие.

На рис. 5 представлены графики распределения напряжения при развитии проскальзывания в зоне прихвата при различных значениях предельного

касательного усилия. Зона прихвата Н обычно удовлетворяет условию — « 1.

В связи с этим в работе изучено статическое поведение бурильной колонны с малыми (локальными) зонами прихвата. Такая постановка задачи приводит к простым формулам, с помощью которых можно детально анализировать поведение деформируемой колонны под действием осевой силы при развитии на поверхности колонны зон упругого контакта и зон проскальзывания. Получены рекуррентные формулы для вычисления перемещения сечения колонны в местах прихвата.

Формирование и развитие контактных сил взаимодействия между колонной и породой при динамических воздействиях нельзя рассматривать в отрыве от волновых процессов, имеющих сложный и взаимосвязанный характер. В данной главе .работы использована динамическая модель упругого стержня, контактируемого с внешней средой по закону Винклера-Фойпа и несущих в некоторых сечениях сосредоточенные массы.

Кривые распределения продольного напряжения вдоль колонны при отсутствии (рис.4) и наличии зоны проскальзывания (рис. 5)

Рис. 4 Рис. 5

На верхний торец стержня действует динамическая осевая сила Ро(0> а нижний торец неподвижен (или свободен от напряжения). Поставленная краевая задача для уравнения в частных производных решена обобщенным методом Фурье. В частности, рассмотрен случай колонны с локальными зонами прихвата. Для колонны с одной локальной зоной (в сечении х -1\) прихвата при действии только динамической силы Ро(0 перемещение вычисляется вдоль колонны по формуле:

и — —

Р5

где ?>„(£) собствешше функции,

<РМ) = ~Ь ■ Рп' 8«пЯя(1 -¡^собЛ^ О < 4 < /,

- корни уравнения:

Ял соэ Д„ + /?0] бш Я, (1 - /, )соз Л.„/, = О

7 - А- с ^ л _Мо_ »

' 2р ' ^"ЕБ

ко - коэффициент жесткости контакта колонны со стенкой скважины при сдвиге.

ЕЗ

На рис. 6 представлены графики зависимости перемещения и = " 7ГТ колонн

:

в месте контакта (^=л) от величин при (3<и = 1, <У0 7 = 1 различных

4 Л И

значениях Л в случае действия нагрузки Рц = РооНО) в сечении (4=0).

Аналогичные кривые в случае приложения нагрузки в месте прихвата (£ = Л) представлены на рис. 7.

Сравнивая кривые, представленные на рис.6 и 7 , заметим, что действие нагрузки вблизи прихвата приводит к значительному перемещению сечения колонны вверх.

Графики зависимости перемещения сечения колоннь в месте прихвата от т в случае действия нагрузки в сечении. (4 = 0) (рис. 6) и в сечении = А) (рис.7)

Рис. 6 Рис. 7

С целью упрощения динамической модели бурильных колонн в этой же главе предложена приближенная расчетная схема, где использован вариационный принцип механики. Согласно этой схемы перемещение колонны считается известной функцией координаты, удовлетворяющей всем граничным условиям и содержащей некоторые неизвестные функции времени. После выполнения соответствующих процедур вариационного принципа получена система обыкновенных дифференциальных уравнений относительно этих неизвестных функций.

В четвертой главе работы разработано ударное вибрационное устройство, предназначенное для осуществления периодического воздействия на колонну в месте, прихвата. Приведены технические характеристики устройства и описан принцип его действия. На рис. 8 показана компоновка бурильной системы, включающая в себя ударное устройство.

Ударное устройство предназначено для ликвидации прихватов бурильной колонны путем нанесения ударов, направленных снизу вверх либо сверху вниз.

Устройство (рис.9) состоит из цилиндра 1, штока 2, крышки 3, переводника 4, уплотнительных колец 5, шпонки 6.

Конструкцией предусмотрен осевой ход штока внутри цилиндра. Длина хода 1,5 м. ограничена крышкой и переводником. Диаметрально расположенные шпон-

Рис. 8

Рис.9

ки, приваренные к штоку (можно изготавливать как единое целое) позволяют передавать крутящий момент от одной части к другой. Поэтому устройство можно компоновать в бурильную колонну в нескольких местах и вести бурильные работы. Сквозной канал внутри устройства обеспечивает нормальную циркуляцию бурового раствора. Герметичность обеспечивается с помощью уплотнительных колец на штоке. При компоновке бурильной колонны с ударным устройством в нескольких местах вероятность того, что одно из устройств окажется в неприхваченной части колонны наибольшая. Наряду с этим ударное устройство можно ввести в колонну уже после прихвата, отвинчивая неприхваченную часть, используя ловильный инструмент и т.д.

Принцип работы устройства заключается в том, что для осуществления удара снизу вверх используется инерционная сила неприхваченной части при подъеме со скоростью, задаваемой подъемным механизмом при длине хода, а удар сверху вниз осуществляется собственным весом неприхваченной части колонны.

Размеры поперечных сечений ударного устройства определяются размерами труб, используемых в обшей колонне.

Для теоретического расчета параметров ударного устройства использованы модели взаимодействия поверхности колонны (жесткой или деформируемой) и породы, основанные на экспериментальных фактах, главный из которых состоит в следующем. Если амплитуда колебаний колонны меньше предельной величины силы разрушения связки, то колонна колеблется вместе с частицами глинистой корки и ее увеличение не происходит. С увеличением амплитуды колебаний колонны происходит разрушение связки и начинается ее проскальзывание относительно корки. При полном срыве колоны амплитуда ее колебаний превосходит амплитуду прилегающей к ней частицы породы в несколько раз, деформация материала связки в процессе извлечения колоны приобретает в основном пластический характер. До появления проскальзывания предполагается, что в зоне прихвата сила сопротивления подчиняется закону Винклера-Фойгта. Для описания поведения деформируемой колонны в скважине при условиях прихвата используется вариационный принцип, согласно которому перемещение сечения вдоль колонны приближенно определяется из уравнений статики.

1+Н <х<И

удовлетворяет уравнению,

М.щ + л.м0 +е»1;м0 =PX-Q

(3)

(1-ДЛЛЯ+лШГсМЯ) ъ-ГГи-х- я Р"

2

I

сЬгШ

у . -А-л) • V ={Ь£о)

Г, 2 5 ХНсЪХН ' Гз сАДЯ

2 & СОа. = —

2сп Ш

где О - вес колонны, Р\ - постоянное осевое усилие, с - коэффициент жесткости пристеночного слоя при сдвиге, ро - коэффициент вязкого

Н

сопротивления. В случае локального — «1 прихвата имеем:

л/. =/$(/•/?„+(А

Я ____

/?оз=(1-/?оо)2 ; + ; г., =1-^-; У« .

Согласно принципа работы устройства, принимается, что до удара нижнего торца колонны 1, колонна 2 находится в покое, а сечение колонны 1 имею

I Л-О,

одинаковую скорость, равную v,x, = J2gí„—, ('о - длина свободного хода колонны 1).

После удара под действием силы Р2 колонна совершает движение как единое упругое тело ( стержень) и при этом сечение х = / приобретает скорость

В соответствии с этим уравнение (3) интегрируется при начальных условиях

и0 = О

при 1=0. После достижения функции и00) значения иа,

колонна 2 снова отделяется от системы и до следующего удара неизвестная функция щ определяется из уравнения:

М.,н0 + п.,и,, +си;,н0 = Г) - О, (где М.,, и.со., принимаются по формуле (4) , где следует полагать /=0), которое интегрируется при условиях и0 = иот , щ = 0 при I = /„, (¡„,, - время остановки сечений колонны).

На рис. 10 и 11 представлены графики зависимости перемещения прихваченной части колонны при наличии локального прихвата. Рассмотрен случай два удара колонны 1 по прихваченной части с различными скоростями, где введены

[а // ц

безразмерные величины т = 1, — ,и = — :а = —г1—

\/0 /» 2 4Ш

Расчеты проводились для а = 0,3; Роо = 0 ( жесткая колонна), до = 0,1; Л.=0,8, Я1 =0,2 (рис. 10) и Л =0,4; Л1 = 0,6 (рис. 11).

Из графика видно, что с ростом глубины расположения прихвата эффект второго удара при выбранных параметрах задачи существенно увеличивается.

Зависимость перемещения прихваченной части колонны при различных глубинах прихвата Л\ =0,2 (рис. 10) и Л\ = 0,6 (рис. 11) от времени х

0-1 -и

г^'/ / \

«-г-1---1---5-.-1

«.00 ¡00 4 00 «00 «40 »00

аоо 4оо

и 00 ИМ

Рис. 10

1-Х2=0,4 2 ->.2 =--0,6 3-Х2=0,В 4-Х2=1 5-Хг-1,2

Рис. 11

1 - Я.2=0,8 2 - Х2= 1 ' 3 - Х2= 1,2 4-Х2=1,4 5-Л2 = 1,6

Заключение .

Анализ условий и факторов, влияющих на возникновение прихватов, а также методов их предупреждения и ликвидации показывает, что в настоящее время теоретические аспекты этой проблемы не изучены в полной мере, еще отсутствуют эффективные способы устранения этого вида осложнения. Такое положение ставит задачу создания нового вида компоновки бурильной системы, заключающей в.себе устройства и механизм, предназначенные для ликвидации прихватов.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность дальнейшего применения механических способов предупреждения и ликвидации прихватов, предложена эффективные пути их использования. Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Разработана методика расчета силы сопротивления породы при различных законах движения колонны в скважине. Установлено, что в зависимости от реологических свойств бурового раствора, заполняющего пространство между колонной и скважиной, при определенных режимах движения колонны контакт между колонной и стенкой скважин будет нарушен, в результате чего произойдет отрыв колонны от стенки скважины.

2. Изучено напряженно-деформированное состояние бурильных колонн при наличии различных зон взаимодействия колонны с пристеночным слоем (породы). Установлено, что с ростом величины осевого усилия исходный .упругий контакт на поверхности трубы постепенно нарушается и появляется зона проскальзывания (среза). Длина ее существенно зависит от параметров контакта и упругих свойств материала колонны. С ростом жесткости трубы длина этой зоны увеличивается.,

3. Изучена динамика системы бурильных колонн в условиях прихвата. Анализирован случай, когда колонна в скважине прихвачена с локальными (достаточно короткими длинами по отношению к общей длине_ колонны) участками. В случае одной локальной зоны прихвата выявлено существование определенного набора параметров задачи (коэффициент сопротивления породы на сдвиге и места расположения прихвата и др.) при котором сечение колонны в месте прихвата совершает движение с наибольшей амплитудой.

4. Предложено включить в систему компоновки бурильных колонн новое телескопическое устройство, предназначенное осуществлять ударно-вибрационное воздействие на прихваченную часть колонны. Принцип работы устройства

заключается в использовании собственного веса подвижной части для реализации удара ее о прихваченную часть в зоне прихвата.

5. Установлено, что эффективность процесса извлечения колонны из скважины обеспечивается при совместном приложении к прихваченной части колонны как ударно-вибрационных ( периодических), так и постоянных сил страгивания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Джанзаков И.И., Умедов Ш.И. Моделирование процесса прихвата бурильных труб под воздействием перепада давления. -Ташкент: Нефть и газ, №4, 1998 г.

2. Джанзаков И.И. Колебательные процессы в весомых бурильных колоннах при наличии зон прихвата. / Тезисы докладов научно-практической конференции «Проблемы освоения углеводородных ресурсов Прикаспия и Каспийского шельфа». - Атырау, 1998 г.

3. Джанзаков И.И. Изучение напряженно-деформированного состояния бурильной динамической системы при вибрационных воздействиях./ Тезисы докладов научно-практической конференции «Проблемы освоения углеводородных ресурсов Прикаспия и Каспийского шельфа». - Атырау, 1998 г.

4. Мардонов Б.М., Джанзаков И.И.. Гидродинамическая модель взаимодействия жидкости с глинистой коркой при вибровозмущениях бурильной колонны. / Тезисы докладов научно-практической конференции «Проблемы освоения углеводородных ресурсов Прикаспия и Каспийского шельфа». - Атырау, 1998 г.

5. Айталиев Ш.М., Мардонов Б.М., Джанзаков И.И. Об одном модельном представлении прихвата бурильных колонок. Изв. МИ-АН РК, серия физико-математическая, 1998 г., №5.

6. Aitaliev Sh. M., Mardonov B.M., Dzhanzakov I.I. Rotation of a drill column in well in conditions of sticking. Материалы международной конференции «Современные проблемы механики жидкостей, многофазных сред и распространения волн в сплошных средах». -Ташкент, 1999 г.

7. Джанзаков И.И., Рахимов Э.А. Ликвидация прихвата бурильной колонны при совместном действии статической и вибрационной нагрузок. -Ташкент: Нефть и газ, №3, 1999 г.

УДК 622.248.54

Жанузаков Ислам Исагали угли ,.,,..

"Бургилаш кувурлари бирикмасининг купли деформацияланган холатини урганиш асосида, кудукда кувурларни сикилиб колиши асоратларини бартараф этишнинг гидромеханик усулини ишлаб чикиш".

05.15.10 Нефт ва газ кудукларини бургилаш Техника фанлари номзоди илмий даражасини олиш дессертацияси

Бургилаш кувурлари бирикмасини кисилиб-сикилиши асоратларини юзага келтирувчи сабаблар, шарт-шароитлар назарий ва амалий жихатдан чукур тахлил килинган ва унинг олдини олиш х.амда асоратларни йукотишнинг самарали усули ишлаб чикилган. Кудукларда бургилаш кувурлари бирикмасининг харакати, бургилаш эритмасининг реологик хоссалари билан боглик конуниятларни урганиш асосида тог жинсларининг кувурларни харакатига каршилик килувчи кучларни аниклаш усули ишлаб чикилган. Бургилаш кувурлари бирикмасининг, кудук ичида сикилиши шароитида унинг харакати динамикаси урганиб чикилган ва шу асосда кувур юзаси кисмига таъсир килувчи укнинг катталиги ошиши билан, кувурларнинг, туташган юзасида узаро таъсирнинг узгариши туфайли юзага келадиган кесма, кувурнинг таркибига ва унинг кайси хом-ашёдан тайёрланганига боглик булиши таъкидлаб утилган ва кувурлар бирикмасининг узаро туташган кисми кудукда сикилиб колиш эхтимоли куп эканлиги курсатиб утилган. Кувурнинг сикилиб колган кисмига тебранма-зарб билан таъсир килувчи янги телескопик курилмани бургилаш кувурлари тизимига бирикгириш таклиф килинган.

Dzhanzakov I. Islam

ELABORATION OF HYDRO-MECHANICAL METHOD OF STICKINGS LIQUIDATION ON THE BASIS OF STUDYING STRAINED AND DEFORMATED STATE OF BORING COLUMN

(05.15.10 "Drilling of oil and gas chinks" )

The dissertation on competition of a degree of the Candidate of Technical science

The analysis of conditions and factors influencing occurence sticking, and also methods of their prevetation (warning) and liquidation shows, that now theoretical aspects of this kind of complication. Such rule (situation) puts a task of the mechanism, intended for liquidation of sticking.

On the basis of results theuretical and experimental researches the opportunity of the further application of mechanical ways of preventation (warning) and liquidation sticking is establishad, is offered effective ways of their use.