автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка управляемых забойных гидромеханизмов и методики дистанционного управления с помощью импульсов давления

ВСЕШОВНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО 'КРАСШГО ЗНАМЕНИ ШУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ ' ' (ЕЧШБГ)

На правах рукописи

ПЕТРУШИН Валерий Иванович

РАЗРАБОТКА - УПРАВЛЯЕМЫХ ЗАБОЙНЫХ ГИДРОМЕХАНИЗМОВ И МЕТОДИКИ деТАНЦШНШГО УПРАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.04.07 - Машины и агрегаты нефтяной

и газоЕой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Шсква - 1992

- г -

•. Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники (ВШИВТ).

- . Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гусман К Т.

кандидат технических наук, доценг

Ивановский В. Н.

Ведущее предприятие: Производственное объединение "Башефть"

Защита диссертации состоится "/¿7" ОС 1992г. в часов ¡¡а заседании специализированного Совета Д. 104.03. 01 Бсесошного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники по адресу: 117049, Москва В-49, Ленинский проспект, 6, ВШШБТ.

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке ВНЙИБТ.

Автореферат разослан " £ " 1392г.

Отзывы б двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного сове а.

Ученый секретарь специадкзкроваивого Совета ;„'::дидат ггаашческих наук

--^^

А. И. Литвинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -

Актуальность проблемы.

Повышение эффективности добычи нефти зависит от совершенства применяемой техники и технологий. Технический уровень и своевременное обновление буровой техники, как и любой продукции машиностроения зависят от использования современных подходов при проектировании и "высоких технологий" при изготовлении. Р 1с,";иренне применения зарубежной техники на отечественных нефтепромыслах предъявляет к новой технике требование конкурентоспособности.

Глубина нефтяных и газовых скважин в большинстве регионов теуглонно растет. Соответственно увеличивается время спус-ко-подъемных операций для замены элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК). В связи о этим возникает потребность в таких элементах КНБК, которые - по команде с поверхности- могли бы изменять свои рабочие параметры и режим работы; например, угол излома оси отклонителя, режим работы гидрораспределителя: заполнение, промывка, " бурение, опрессовка; наконец, просто включенное или выключенное состояние муфт сцепления гидродвигателей, ударных гидромеханизмов, устройств для ремонта скважин, скватмшшх приборов.

Цель ргбота

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработать рациональную методику дистанционного управления забойными механизмами и научно обоснованные рекомендации по проектированию управляемых забойных гидромеханизмов.

Основные задачи работы •• • ■

Для достижения поставленной цели необходимо било решить следуквде задачи.

1) Обобщиь отечественный и варубежшй опыт, проанализировать изуоян управления, конструкция к технические решения.

2) Теоретически исследовать процесс дистанционного управления (ДУ) с рааштчиьми яшаш управляющих узлов забойных ШХа-НИгДОВ (ß-'J).

• ' 3) Лредло>:лть рациональную погоди;;/ Д|У и принципиальные cxoi.il! 311, ее рз&гдоущпх.

4) Бкспер:игситаУы;о нсеж-догать работу и свойства функциональных блоков - основных узлов ДУ ЗМ

5} Разработать и мспигать рак базовых блочно-дадулыпк конструкций ЛУ SIL

' катоды реванш поставлен; задач.

Лия решения юставлешшл сада« применялись следующие методы.

1) При ¡¿атегатическоы киделаровапии нестационарных процессов, возникающих в систеые "источник сигнала - канав связи -управляем объект", применительно к бурящейся сквахине, используется >,;эгод характеристик. Для „ислегшого решения систем уравнений в частных производных использовалась ЭВМ ЕС 1033.

2) При разработке принципиальных схем использован кодифицированный ы&тод шрфэлопмескггх матриц.

8) При разработке базовых, блочно-модульных конструкций использованы методы теории упругости и сопротивления материалов.

4) При обработке результатов экспериментов использовались известные методы теория вероятностей и математической статистики.

Кзучкая новизна.

Впери» автором ¡ми при его непосредственном участии разработали:

1) ттеттичеасая модель сисгеш "источник сигнала - канал связи - управляешь объект", опксьшаждая нестационарные процессы, возпикавзие в гидравлической канале (полости колонны бу-рильнш: труб) при различных форглх управлявши ншульсов дазхг-шш и раздичшхх типах глэнстругшдЛ управляешь иехаякзшв, а такта работу сахак юхашгзшв;

2) шгодпка дистанционного управления згбойтаи ?.«хашгз?:?'г1 путем создания в бурильной колонне импульсов давления гсядкостц заданной формы;

3) принцнпналышэ схеш ряда управляемых забойных ыэханпз-шв (переключателя потокл, управ-штак отклоннтелей двух типов. - отгипонитель-стабилкзатор с евдшшюй опорой-центратороц п упогопознциойннй отшюннтедь с поворот шэд жителем), реализующие предложенную изгодику дистанционного управления;

4) морфологическая матрица структурши элегантов и основанная на ней методика блзчно-ьюдудьного конструирования управляемых забойных механизмов из унифицированных функциональных блоков и модулей с отработкой их на базовых конструкциях ;

5) экспериментальная установка для .исследования работц и свойств фушашонашшх блоков и модулей забойных механизмов при различном сочетании неблагоприятных факторов, шделирук/дя неточности изготовления и сборки, износ узлов, наклон ствола сквакины и загрязнения механизм

Практическая ценность

Разработанное на основе теоретических и экснеришнтальшк исследований практические рекомендации по конструированию внес-

те с предлоленной методикой блочно - модульного конструирования управляемых забойных механизмов с отработкой блоков и модулей на базовых конструкциях позволит резко сократить сроки опытно-конструкторских работ, избекать принципиальных ошибок при создании новых устройств, повисеть их надежность.

На основе результатов исследований разработан и испытан ряд новых управляемых механизмов.

' :' Многолозицюлшый отклонитель позволяет оперативно управлять траекторией еквшашы в процессе бурения, создавая в компоновке, подкоманде с поверхности, несколько фиксированных углов искрив-•лешш для различной интенсивности набора кривизны.

Отклонитель - стабилизатор с выдвижной опорой-центратором позволяет, по команде с поверхности, набирать кривизну с заданной интенсивностью и стабилизировать набранный угол искривления.

Управляемый забойный перетаючатель потока ищкости дает возк:о;-;шость снизить гидродинамическое давление при спуске колонны в скважину и соответственно уменьшить вероятность гидроразрыва пластов, уменьшить зашламование турбобуров и износ винтовых двигателей.

Реализация работы в промышленности

С учетом рекомендаций полученных в результате исследований и стендовых испытаний изготовлены опытные образцы , внедрение которых ведется на предприятиях Западной Сибири.

1) Переключатель потока жидкости. Промысловые испытания на Аганско:.! и Самотлорском месторовдениях в Западной Сибири показали экономический эффект 90 тыс. руб. на один ППЖ.

2) Опслоиитель шоголозицкошшй управляемый. Ведется внедрение на предприятиях г. Нефтеюганска и г. Мзгиона.

Апробация работы

Оснсьлые положения работы докладывались на заседании секши Ученого Совета ВНИИБТ (декабрь 1984 г.). на расширенных коллоквиумах лабораторий гидравлики . бурения, наклонно-направленного бурения, конструирования технических средств для научных и стендовых испытаний (1985-1989г. г.), на совместном совещании ПО "Томскнефть" и "ТомскНЙШнефть" (г.Томск, 10-14 марта 1989 г.), на НТО секции бурения Ш ЕНГО им. Губкина "Техника и технология бурения наклонно-направленных скважин" (23 июня 1989 г.), на Всесоюзном семинаре по гидравлике буровых и тампонажных растворов (г. Ивано-Франковск, 1988 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ. В том числе 4 статьи, 7 описаний к авторасим свидетельствам на изобретения и заявкам, по которым получены положительные решения о выдаче патентов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы, содержащего 164 наименования и приложений. Диссертация изложна на 192 страницах, содержит 115 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 11 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность профессорам Р. А. Иоаннесяну, М. Т. Гусману и II Г. Эскину, внимательно прочитавшим работу и давшим ряд ценнх замечаний и советов. Особую благодарность автор выражает профессору Ю, В. Вадецкому за большую помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, реализация ее результатов в проншленности.

В первом раздела обобщен отечественный и зарубежный опыт в области разработок дистанционно управляемых скважнных устройств. Проанализирована технические решения, содержащиеся в литературе, патентных описаниях, фондовых работах и рекламных материалах ведущих заруСегашх фирм. Наиболее удачными конструкциями можно считать УЕСШСАЬ ТЕЬЕР1Ь0ТЕ и ТЕЬЕРИОТЕ-ТЗОО, разработки Французского института нефти, схемы отклонителей ОШ-172 ЕНИИБТ и отклоните ля БашНШШнефгъ.

Проведена классификация известных технических решений по типш.,' схем исполнительных механизмов и по метода).! дистанционного управления. Проанализированы особенности работы и результаты испытаний различных конструкций и выбрано направление исследований. На основании анализа сделаны следующие выводы.

.1) Одним из наиболее рациональных методов дистанционного управления шогокомандныш скважинными механизмами, в том числе находящимися на забое бурящейся скважины, в настоящее время монет считаться метод управления, с помощью создаваемых на поверхности гидравлических импульсов, в котором полость бурильной колонки, заложенная буровым раствором, используется, как гидравлический канал связи. Гидралический канал используется для передачи ¡сак управляющих сигналов, так и для передачи сигналов обратной связи;

2) В отечественной практике бурения не существовало, на ш-ьггнт начала работы, конкретной методики дистанционного управде-

ния многокомандными скважинными механизмами с помощью импульсов давления;

3) В отечественной буровой технике не существовало, на момент начала работы, достаточно работоспособных конструкций многокомандных сквешганых механизмов, управляемых дистанционно импульсами давления. Суть технических решений, применяемых за рубежом, из доступных источников информации не известна.

Во втором разделе диссертации дается описание теоретического исследования работы забойных механизмов, управляемых импульсами давления.

Работу забойного механизма, управляемого гидроимпульсами, генерируемыми на поверхности, нельзя рассматривать обособленно, поскольку на нее влияют различные факторы, не относящиеся к самому устройству. Например, форма импульса, частота сигнала, глубина скважины, плотность и.вязкость жидкости, скорость звука в ней, величина гидравлического сопротивления за устройством.

Для формирования сигнала могут быть использованы специальные генераторы гидравлических импульсов, как их называют в за-■ рубежной литературе - пульсары, или стандартное оборудование буровой: задвшкка, насос, в т.ч. е регулируемым приводом. От конструктивных особенностей выбранного формирователя зависит форма импульса, его амплитуда и частота. От параметров управляющего импульса давления, в свою очередь, должна зависеть конструкция управляемого забойного механизма, в частности, узла, воспринимающего импульс.

Импульс может иметь трапецевидную или синусоидальную форму, которая характеризуется амплитудой, частотой.

В общем случае управляемый забойный механизм состоит из трех функциональных узлов:

- управляющий узел - воспринимает управляющий сигнал и выделяет его на фоне помех;

- переключающий узел - преобразует перемещение элементов управляющего узла в соответствующее команде состояние исполнительного механизма;

- исполнительный механизм - выполняет функцию, определенную назначением всего устройства

:' При работе забойного механизма, управляемого импульсами давления, в гидравлическом канале связи возникают нестационарные процессы, которые надо учитывать при конструировании.

' Например, при прохождении через управляющий узел механизма переднего фронта импульса давления, поршень опускается, сжимая пружину, и остается в таком положении. При прохождении заднего фронта импульса, поведение поршня не всегда столь определенно. Например, когда сопло перекрывается полностью, в трубе возможно резкое повышение давления (гидроудар) и, как следствие, опускание поршня и переключение механизма без команды с поверхности. Подобным образом могут воздействовать на поршень и отраженные волны давления, приходящие к соплу через промежутки времени, зависящие от глубины скважины и скорости звука в жидкости.

Для изучения этих процессов необходимо построить математическую модель, описывающую распространение сигнала по гидравлическому каналу связи, взаимодействие этого сигнала с управляющим узлом забойного механизма и расположенными за ним местными сопротивлениями, распространение и дальнейшую эволюцию отраженного сигнала.

Управляющий узел рассматривается как одна из составляющих математической модели, остальные узлы моделируются как гидравлическое сопротивление, расположенное за управляющим узлом, в

рамках системы, приведенной на рис.1, гле цифрами обозначены: 1. Насос; 2. Выкидная задвижка; 3. Колонна-, 4. Сопло; 5. Конический поршень; 6. Пружина; 7. Элементы ККБК.

Неустановившееся движение жидкости, возникающее в бурильной колонне при распространении сигнала, описывается уравнениями Чарного для давления и средней по сечению трубы скорости течения в функции от времени и продольной координаты В безразмерных переменных эти уравнения имеют вид (1).

** 9Х и щ

д ¿>

гдеХ'^~ безразмерная продольная координата (см. рис. 2),/ -длина - колонны бурильных труб- безразмерное время, С -скорость звука в жидкости,безразмерное давление, ^ -плотность ж№ост,1Р/щ£ абсолютная величина начальной скорости течения,!/-^- безразмерная скорость ¡Дгдрд - параметр диссипации, Р -кинематическая вязкость, & - внутренний радиус бурильных труб, лге = —р~ - тело Рейнольдса, г - р ^з. - безразмерное касательное напряжение, определяемое из соотношения (2)

Т-^/У/^ (2)

где Ас. - коэффициент гидравлического сопротивления установившегося течения.

В качестве начальных условий для переходного процесса рассматривается стационарное течение. В безразмерных переменных начальные условия имеют еид (3)

Рис.1 Схема моделируемой системы

-—положение поршня

-----давление

вариант Cc.-l.l-J05; А . О.ОШО; И1Л* С..« 0.721!; Се <0,!Н; С, *

I

Рис.2 Изменение полояения порош и давления перед ним

МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМОВ, УПРАВЛЯЕМЫХ ИМПУЛЬСАМИ ДАВЛЕНИЯ

Р«1_/ V_

щ

гт

Рм-.-г-

1м Л-

Ш:

'V „ 1 "

I

Э„

II

] *»гАг~ \ Ом

и: у' у ^ и

! : Г(м т.. г ;

1—г гм

х<л_п_ i иг. ¡а

ЩВ

I

-ч1-

; & I

ш /И

-3! • й.1

3„

Ш

¿ы ■

Й

хм у~ч.„

л. ;

^ -

э„! "гГЧ~э„

1 ! э, I

Рис. 3

В)

К, - К

где_^-безразмерное давление перед забойным механизмом при закрытой задвижке-, -безразмерная скорость стационарного течения. Граничные условия на верхнем, конце гидравлического канала связи определены формой импульса давления и имеют вид "ступеньки" по давлению, описывающей задний фронт управляющего импульса (4). Такие ГУ соответствуют пульсару, для аадвижки или насоса ГУ могут быть записаны в виде ступеньки по расходу (по скорости), которая на нижнем гидравлическом сопротивлении дает ступеньку по давлению .

'и

где^ р - безразмерное давление на верхнем конце колонны бу-//О ^

рильных труб; усЩ' безразмерное давление при открытой задвижке; - безразмерное время начала движения задвижки;

-- - безразмерное время окончания движения задвижки.

Граничное условие у забойного механизма может быть получено из уравнения движения поршня и уравнения течения жидкости черед управляющий узел. Приведение этого соотношения к безразмерному виду позволяет выделить в нем величины, относящиеся к конструкции механизма, в виде четырех характеристических параметров £у , (74- Тогда связь, имеет вид (5)

где относительное положение поршня (6)

(V

7 радиус сечения конического поршня, находящегося в критическом сечении сопла; £ - длина ШЕЕК; ^ • - безразмерное 'давление в призабойной зоне; конструктивные параметры:

!$■ - характеризует сопротивление полости КНШ за уп-

7 / УЪ

равляювдм узлом, ^ - коэффициент соответствующего местного сопротивления;

г ТъЫрМ

Ьл"—--характеризует заострение поршня и жесткость пру-

жииы управляющего узла, с(. - половина угла конусности поршня,

В - жесткость пружины; Г 19 1м е4 „

щ ■ у ^^--характеризует отношение местных сопротивлений в

управляющем узле и за ним, - коэффициент местного сопротивления управляющего узла типа сопло-конус (игольчатый затвор) г -

с/ ~ характеризует соотношение размеров конического поршня и сопла

- В приведенной математической постанов!« система уравнений .(1) с соотношением для касательного напряжения (2) при начальных условиях (3) и граничных (5) и (6) при Х=0 и (4) при Х=1 решается численно на ЭВМ. Было исследовано более ста вариантов с конкретными значениями- глубины скважины, • вязкости, плотности жидкости и конструктивных параметров. Результами расчета являются величины скорости и гидродинамического давления по глубине

скважины и по времени, а тага© значения отношения , характеризующего положение поршня от времени. Пример такого графика, для случая, когда возникает самопроизвольное опускание поршня под-действием отраженных волн давления приведен на Рис.2.

Была также исследована конструкция с кольцевым поршнем и с демпфером. Определена зона эффективности демпфера. Исследована конструкция с различными вариантами фиксаторов поршня.

По результатам теоретических исследований были получены следующие рекомендации:

1) При любой форме импульса наиболее проста и удобна конструкция с неполным перекрытием сопла или кольцевым поршнем;

2) При необходимости полного перекрытия сопла в среднем положении поршня, для увеличения усилия на приводе целесообразно применять ступенчатый поршень;

3) В кинематической цепи,-в случае полного перекрытия сопла в верхнем положении поршня, ' следует предусмотреть люфт больший величины опускания поршня под действием ложных сигналов;

4) При недостаточности перечисленных мер, ввести демпфирующее звено, обеспечивающее возврат поршня в исходное положение после затухания волн давления в канале;

5) При одновременной установке в КНБК двух различных управляемых механизмов, один должен управляться трапецеидальными импульсами, второй синусоидальными с пиками давления;

6) При установке одного механизма импульсы синусоидальной Форш с "пиками" давления более рациональны, если позволяет оборудование буровой.

По результатам теоретических исследований была предложена методика дистанционного управления забойными механизмами путем

создания импульсов давления трапецевидной или синусоидальной формы, с конкретными значениями амплитуды и частоты управляющих сигналов и видами сигналов обратной связи.

В третьем разделе диссертации приведена предложенная автором методика блочно-модульного конструирования управляемых забойных механизмов.

Основу методики составляет морфологическая матрица структурных элементов, приведенная на Рис. 3, позволяющая синтезировать новые технические решения на уровне изобретений исходя из сочетаемости элементов различных строк матрицы по характеристическим' функциям входных и выходных звеньев. Шказана наиболее простая трехстрочная матрица. Однако разработана и используется более сложная пятистрочная матрица, верхняя строка которой содержит элементы, формирующие импульс, а нижняя - пятая - элементы формирующие сигнал обратной связи. Процесс синтеза схем может быть автоматизирован с помощью ЭВМ с графическими станциями.

Примеры синтезированных схем приведены на Рис.4; на Рис.4а показан переключатель потока жидкости, синтезированный из элементов , Эи, Эи матрицы. Цифрами на схеме обозначены: 1-корпус, 2-боковое отверстие, 3-клапан, 4-Шгок, Б-верхняя перегородка, 6-нижняя перегородка, 7-вертикальное отверстие, 8-боковое отверстие, 9-обрагный клапан, 10-механизм переключения и фиксации, 11-корпус, 12-ось, 13-кулиса с фигурным вырезом, 14 -вилка, 15-коромыело, 16-поршень, 17-перегородка, 18-пружина.

.При воздействии управляющего импульса на поршень 16 он , опускается, вилкой 14 поворачивает кулису 13, которая коромыслом 15 перемещает шток 4 с тарельчатым клапаном 3. В соответс-

а)

ШХШ.

ГртТ"^'

-Щь

.5

д 1

Рис.Принципиальные схеыы управляемых забоГших (.гехаяизпов'

а) переключатель, потока жидкости;

б! отклоикссль шшгопозиционныП управляет!':;

в) огклотггелъ-сгабплпзатор управляешь;

г) управляющий узел с каизетяш Лчжсагоооп.

твии с количеством импульсов переключатель потока жидкости может пропускать жидкость внутрь колонны через боковое отверстие 2, удалять жидкость со шламом из полости колонны, пропускать жидкость в двигатель (турбобур) через продольное отверстие, закрывать оба отверстия при возрастании затрубного давления ши возникновения сифона •

Для выполнения всех перечисленных операций и, дополнительно, для опрессовки полости колонны, на базе элементов матрице Э,д , Э15, Эм синтезирована схема трехпозиционного переключателя потока

жидкости.

На Рис. 46 показана схема огклонителя - стабилизатора управляемого, синтезированного из элементов матрицы Э,3 , Эм , Эи. Цифрами на схеме обозначены; 1-корпус, 2~отверстие, 3-управляющий узел (корпус), 4-переключающий узел, 5-отклоняющий . узел (корпус), б-сопло, 7-подпружиненный поршень, 8-кулиса, 9-вилка, 10-шатун, 11-опора-центратор, 12-поперечный поршень, 13-рессора, 14-шток, 15-подпружиненный клапан, 16-средораздеди-тель, 17-фиксатор, 18-прумша

При воздействии управляющего импульса на поршень 7 последний открывает или закрывает клапан 15. В соответствии с чем опора-цектратор 11 занимает симметричное т. е. центрирующее положение относительно корпуса 1 или ассимметричное, т. е. отклоняющее положение.

На Рис. 4в показана схема шоголозиционного отклонитедя управляемого, синтезированного из элементов матрицы 3,,, Цифрами на схеме обозначены: 1-корпус, 2-верхний переводник, 3-верхняя секция, 4-средняя секция, 5-нижняя секция, 6-поршень, 7 -пружина, 8-полый вал, 9-канавка, 10-направляющие элементы, 11-

шарнирное соединение, 12- пищевое соединение 13-уплотнительный элемент, 14-полость переменного объема, 15-отверстие, 16-про-долыше части канавки, 20-стулень-ки, 22-уплотнение поршня, 23-средоразделит-ель, 24-полость постоянного объема с компенсатором давления, 25-нажимная втулка, 26-рычаги, 2?-опорная втулка, 28-оси рычагов, 31-конус фиксатора, 32-цилиндрическая втулка, 33-кольцевая канавка, 34-шарики, На Рис. 4г показан вариант фиксатора с манжетой, соответствующий элементу Эмматрицы. Цифрами обозначены: 35-эластичная манжета, 36-кольцевой выступ, 37-канал.

Цри воздействии пика давления на поршень 6 фиксатор освобождает его, и поршень 6 опускается. При этом направляющие элементы 10 поворачивают полый вал 8 и через шлицевое соединение 12 нижнюю секцию 5. Поскольку шарнирное соединение 11 имеет наклон оси вращения, нижняя секция 5 при повороте отклоняет свою ось от оси корпуса 1. При повороте на 180 градусов отклонение максимально, при повороте на 360 градусов минимально.

Таким образом, на основе использования элементов матрицы, имеющих заранее известные свойства, можно получить схемы управляемых механизмов заданного назначения с известныыи свойствами, что позволяет избежать ошибок на стадии создания принципиальных схем.

В четвертом разделе дается описание экспериментальных исследований. Забойные механизмы, управляемые импульсами давления жидкости в бурильной колонне, являются относительно новым классом устройств в отечественной буровой технике. Изучение их особенностей сразу на готовых конструкциях в практическом бурении потребовало бы больших затрат времени, средств и, кроме того,.

не дало бы всесторонней картины работы указанных механизмов, ■ак как достаточно велика вероятность того, что при испытаниях '■а нефтепромыслах не возникнет случайное сочетание условий, ■риводящее устройство к отказу или к выходу из строя.

Задача экспериментальных исследований состоит в том, чтобы : эксперименте смоделировать все возможные сочетания условий >аботы, в том числе и самых неблагоприятных. Это необходимо для создания схем резльных работоспособных конструкций. Основу конструкций составляют функциональные блоки и модули, соответствующие структурным элементам морфологической матрицы.

Для таких исследований была создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать комплекс неблагоприятных факторов: углы наклона скважины от 0 до 90 градусов; неточности изготовления и сборки от О,25 мм до 50 мм; износ деталей кинематической цепи от 0,25 мм до 10 мм; загрязнение механизма песком и мелким шламом с размером частиц до 5 мм в среде глинистого раствора. При этом, для надежной регистрации входных воздействий и выходных параметров производится запись двух каналов одновременно на ленту шейфового осциллографа и подсчет числа полных циклов с помощью механического счетчика. Установка позволяет производить ускоренные исследования с интенсивностью до 0,5 цикла в секунду (при отсутствии демпфирующих элементов в объекте).

В результате экспериментальных исследований установлено, что все функциональные блоки, соответствующие элементам матрицы, работоспособны. Плоские кулисные механизмы практически не чувствительны к загрязнению на всех углах наклона скважины, однако предъявляют повышенные требования к точности изготовления

и сборки. При неточностях порядка 5 км начинались сбои в работе. Цилиндрические механизмы менее чувствительны к неточностям изготовления и сборки, мало чувствительны к загрязнении в вертикальных скважинах, однако сильно реагируют на загрязнение в наклонных скважинах. По результатам исследований рекомендовано применять в конструкцях управляемых устройств цилиндрические механизмы,размещенные в герметичной маслонаполненнной полости.

В пятом разделе диссертации описана практическая реализация результатов работы в промышленности.

На основе отбора наиболее простых и надежных из числа экспериментально исследованных блоков были изготовлены три конструкции. Переключатель потока жидкости изготовлен Опытным заводом ВНШ1ЕТ (г. Котово), отклонитель многопозиционный управляемый - Экспериментальным заводом ВНИИБТ (г. Люберцы). При изготовлении использовались легированные стали 40ХН2МА; 20ХН; 40Х, традиционные методы упрочнения поверхности и термообработки: цементирование, хромирование, закалка ТВЧ. Основное покрытие деталей - химическое фосфатирование с лромасливанием. Материал уплотнений - резина ИРП1294. Однако, в целях повышения надежности и долговечности работы механизмов, предполагается использование "высоких технологий" - ионная имплантация вольфрама для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости; электрохимическое фрезерование - для снижения концентрации направлений и повшзения усталостной прочности шлицевых соединений и винтовых канавок; композиционные уплотнительные материалы - для снижения износа уплотнений в абразивной среде при высоких температурах.

Все три конструкции были испытаны на буровых стендах Пова-

ровского Отдела стендовых испытаний. Для испытаний в компоновку над турбобуром и долотом с гидромониторными насадками устанавливался управляемый забойный механизм (ППЖ, ОМУ или ОСУ) и создавались импульсы давления заданной Форш. Параметры бурения выводились на многоканальное пишущее устройство Н327-5 и фиксировались на ленте.

Задача испытаний - подтвердить работоспособность конструкций управляемых забойных механизмов и предложенной методики дистанционного управления.

В результате стендовых испытаний подтвердились выводы теоретических и экспериментальных исследований, работоспособность всех трех конструкций и практическая применимость двух вариантов методики дистанционного управления - с трапецевидными импульсами и пиками давления. Подтвердилась эффективность демпфирующего звена в случаях кратковременных всплесков давления и расхода при запуске бурового насоса и отраженных волн давления при срабатывания устройства. Подтвердилась возможность использования амплитудной модуляции давления жидкости в качестве сигнала обратной связи о срабатывании устройства. Например, у переключателя потока жидкости давление по манометру напорной магистрали в режиме "бурение" 10 Ша, а в режиме "прошвка" 3 Ша. Шреклшатель потока жидкости был направлен для промысловых испытаний в Западную Сибирь, где была определена его экономическая эффективность в пределах 80 - 90 тыс. рублей на одно устройство, или, с учетом потребности 8-12 устройств на одно предприятие, предполагаемый эффект ожидается в пределах 800-900 тыс. рублей в год.

Основные выводи

1. Разработана математическая модель и теоретически исследована работа еистеш "источник сигнала - гидравлический ¡санал связи - управляемый механизм". Сформулированы требования к форме, амплитуде, частоте управ ля ¡жда жэтульсов и к конструктивные параметрам управляемых механизмов.

2. Предложена методика дистанционного управления забойнима' механизмами путем создания серии трапецевидных или синусоидальных импульсов давления с передачей управляющего сигнала и сигнала обратной связи по столбу жидкости в бурильной колонне.

3. ГТредяожна морфологическая штрица структурных элементов и основанная на ней методика блочно-модульного конструирования, позволяющая создавать новые - управляешь механизмы заданного назначения на основе отработанных функциональных блоков с известными свойствами и надежностью.

4. Создана экспериментальная установи, позволяющая моделировать совокупность неблагоприятных факторов: ншмон скваашы, неточности изготовления и сборки, -износ и загрязнение механизма. На установке экспериментально исследованы свойства функциональных блоков разрабатываемых конструкций.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны, проштленно изготовлены и успеино испытаны три различных типа забойных механизмов:

- переключатель потока жидютсти, позволяюдяй снизить гидродинамическое давление при спуско-гадъешых операциях, ушнызггь заэламование и износ турбобуров я винтовых двигателей;

- отклонитель шогопозиционный управляешь, позволяющий. оперативно управлять траекторией, задавая несколыю углов иск-

ривления го команде с поверхности;

- отклонктель-сгабилизатор управляемый, позволяющий оперативно управлять траекторией с заданным радиусом искривления я стабилизировать набранный угол по команде с поверхности.

6. Экокомичесгай эфрект от применения переключателя потока ¿мдкости но результатам испытаний в Западной Сибири составляет 80 - 90 тыс. рублей на одно устройство, или 800 тыс. рублей в год на одно предприятие.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

' 1. Устройство для управления потоком жидкости в бурильной колонне. Авторское свидетельство ссор N 1243419, М. кл. Е21в21/ 00, 1934г. (совместно с Залкиным С. Л ), д. с. п.

2. Способ сравнительной оценки анизотропии механических свойств. Авторское свидетельство СССР И 1385015, М. кл. (301Н3128, 1985г. (совместно с Поташниковьм К Д. , Байдвком Б. а , Васильевы?,1 Ю. С. и др.).

3. Обгонная муфта забойного двигателя. Авторское свидетельство СССР К 1513980, 1386г. (совместно с Зажиннм С. Л.), д. с. п.

4. Математическая модель забойного механизма, управляемого импульсами давления. - Я , БШШЭНГ, 1988 - 18с. -Деп. во ВНИ-КОЭНГе 07.02.89 К'1691-нг89 С совместно с Вадецким й Е , Розен-берг И. Р.).

5. Обгонная муфта турбобура Авторское свидетельство СССР N 153053-1, 1988г. (совместно с Задкиным С. Л. , Либерманом В.И.), д. с. п.

8. 1!атематическое моделирование при разработке устройств, управляемых по гидравлическому каналу связи. Информационны,-,

сборник Гз.' про'аг^:эш:ссгь - II, ШГПЮЗЫГ, 1£91.

31'п.б. - .7-13 (еогдпс?::» а Ездоке-! аа, Розенбэрг П.Г.

7. Иову у га.'Я.тзксы' техяпчгсгах срздсгз для буренкя направ-.тзяпых скссгпт. Л'^сргпгзэшп.'Л сбор:::::: ГЬ&гяягя газовал про-:^'Л".сп;:ссть - .4, ШИ^ЮоЫР, 1001, гги 11. - с. 13-15.

8. Методнга бгочго-иодулзпсго капсгруироважа управляешь скпапяшых устройств. Ш1»рг.ощ:опп!:1 сборзкк Нефтяная и газовая про^жешюсть - II, ВИГСГОЭЗ?, 1291, еыя.12. -с. 22-30.

0. Устрог-яго д~я нгнравгзнпого бурзнпл шшагаи. Репеииз Государственной нат.знтпо^ зпгпгртпси о Егта^о патента по заявке :: 4097216/03/12"5251 о? 28.12.1Ш0Г. Я ГСЯ. Е21В7/08. •

10. Устройство Л-П отк.гсно:п:я тргс^орш скважины, узравгае-гсз гидроишульсг«.!а. Рэпеплз Госудсрсгвенной патентной экспер-'.язи о мщачз пптзптз по заявка М 4897222/03/124248 от 2В.12.Юе0г. !1 м. Е21В7/СЗ.

11. ЗГзханмзы гзгсвого нрпгода враззкпл длз управляемых сква-г.шт устройств, гопзжо Государственной патентной экспертизы о вндаче патента по озлгко II -^£97224/03/124249 от 28.12.1050г. К кл. Е21Б7/03. .

з печать 15. 04.93г. Зас. 3£тпр. 100

Ротапринт ЕИГ'Б?