Івано-Франківський державний технічний університет

нафти і газу

ВИТЯЗЬ ОЛЕГ ЮЛІЙОВИЧ

УДК 622.24.051

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГIЇ БУРIННЯ СВЕРДЛОВИН

ДОЛОТАМИ РIЖУЧОГО ТИПУ З ВИКОРИСТАННЯМ

НАДДОЛОТНИХ ВІБРОЗАХИСНИХ ПРИСТРОЇВ

Спецiальнiсть 05.15.10 - бурiння свердловин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Івано-Франківськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: доктор технічних наук, професор

Векерик Василь Іванович,

Івано-Франківський державний технічний

університет нафти і газу, завідувач кафедри

теоретичної механіки.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор технічних наук, професор

Чернов Борис Олександрович,

Івано-Франківський державний технічний

університет нафти і газу, завідувач кафедри

фізики;

кандидат технічних наук

Кунцяк Ярослав Васильович,

ВАТ “Український нафтогазовий інститут”,

завідувач відділу технічних засобів буріння.

ПРОВІДНА ОРГАНІЗАЦІЯ: Український науково-дослідний інститут

природних газів, ДК “Укргазвидобування”,

НАК “Нафтогаз України”, м. Харків.

Захист відбудеться “ 02 ” липня 2001 р. о 1000 годині на засіданні спеціалі-зованої вченої ради Д20.052.02 Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий “ 29 ” травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Драганчук О.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним завданням Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року” є забезпечення України сировинними і паливно-енергетичними ресурсами. У зв’язку з цим, передбачається розширити об’єм глибокого буріння і зменшити терміни будівництва свердловин. Покращання техніко-економічних показників бурових робіт тісно пов’язано із вдосконаленням доліт, компоновок бурильного інструменту і технологій їх ефективного використання.

За останні роки розроблені високоефективні долота ріжучого типу, які озброєні вставними різцями типу "стратапакс". Ефективність роботи бурових доліт визначається не тільки досконалістю конструкції, якістю і точністю виготовлення, але й умовами їх експлуатації. В зв'язку цим особливої ваги набирає уточнення методик проектування та шляхів удосконалення технології використання даних доліт.

Оцінка сил, що діють на окремі породоруйнівні елементи долота ріжучого типу підтверджує, що однією з основних причин руйнування озброєння долота є динамічні навантаження, що діють на різці при обертанні долота в процесі буріння свердловин. Одним із відомих методів зменшення динамічних навантажень є встановлення в бурильній колоні віброзахисних пристроїв (ВЗП). Зміна параметрів компоновки, включення в її січення ВЗП приводить до зміни показників роботи долота. Через відсутність розрахункових аналітичних моделей, конструкції робочих поверхонь доліт ріжучого типу та технології їх використання, ще добре не відпрацьовані та недостатньо науково обґрунтовані.

Створення більш загальних аналітичних адаптованих моделей роботи бурової механічної системи “порода - долото - бурильна колона – привід установки”, з урахуванням динамічної взаємодії породоруйнівних елементів з вибоєм та параметрів компоновки бурильної колони, дозволить виявити нові закономірності її роботи й оцінити вплив динаміки на показники ефективності процесу буріння. Тому вирішенню цієї важливої науково-практичної задачі присвячена дана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота входить до науково-тематичних планів Міністерства освіти і науки та підприємств нафтогазовидобувної галузі України. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні держбюджетних тематик ( № Д-40/95, № Д-51/97, № Д-3/98, № Д-3/200) та договору г/т № 210/97 з ДП “Укрбургаз” у науково-дослідному інституті нафтогазових технологій Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу.

Мета роботи. Удосконалення технології буріння свердловин долотами ріжучого типу на основі теоретичних досліджень роботи бурильної колони з віброзахисними пристроями.

Основні задачі дослідження.

1. Аналіз досліджень роботи доліт ріжучого типу, оснащених ріжучими елементами типу "стратапакс" і бурильного інструменту при бурінні сверд-ловин.

2. Розробка аналітичних моделей динаміки роботи доліт ріжучого типу при роторному та турбінному способах буріння.

3. Дослідження впливу конструктивних параметрів долота та бурильного інструменту на динаміку долота та показники ефективності процесу заглиблення свердловини.

4. Дослідження впливу параметрів режиму буріння на динаміку роботи долота ріжучого типу.

5. Розробка, дослідження та промислова перевірка роботи універсального бурового амортизатора при бурінні свердловин.

Наукова новизна досліджень.

1. Запропонована аналітична залежність заглиблення долота від осьового навантаження з врахуванням конструктивних параметрів долота, перекриття площин різання сусідніми різцями, фізико-механічної характеристики породи.

2. Розроблені аналітичні моделі заглиблення вибою свердловини долотами ріжучого типу в процесі роторного та турбінного способів буріння, які враховують вплив параметрів режиму буріння та компоновки бурильної колони на динаміку взаємодії озброєння долота з вибоєм свердловини.

3. Установлено вплив параметрів долота ріжучого типу та компоновки бурильної колони на динамічність і ефективність роботи долота при бурінні.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність проведених досліджень полягає в подальшому поглибленому вивченні роботи породоруйнівного інструменту і бурильної колони та їх впливу на процес буріння. Розроблені аналітичні моделі, алгоритми та програми розрахунку на ЕОМ динамічних параметрів взаємодії долота ріжучого типу з вибоєм, кутових зміщень січень бурильної колони, величин динамічних крутних моментів, що діють на долото, турбобур і в січенях бурильної колони, дозволяють більш обґрунтовано проводити оцінку процесу заглиблення вибою свердловин при різних способах і параметрах режиму буріння.

Результати досліджень використані для удосконалення розміщення озброєння доліт типу ІСМ АП в АТ "НДІКБ бурового інструменту".

Проведена оцінка впливу параметрів віброзахисних інструментів на зміну динаміки роботи долота та бурильної колони дає можливість виявити їх ефективність при бурінні в різних породах. Експлуатаційними випробуваннями універсального бурового амортизатора, при бурінні в ДП "Укрбургаз" встановлено, що при включенні ВЗП у компоновку низу бурильної колони (КНБК) покращується ефективність процесу заглиблення свердловини. Результати досліджень можуть бути використані долотними заводами при проектуванні доліт ріжучого типу та буровими організаціями при проектуванні технології буріння, оцінці ефективності роботи віброзахисних пристроїв. Викладений у роботі матеріал використовується в навчальному процесі при підготовці студентів напрямку "Гірництво".

Особистий внесок здобувача.

Особисто автором вивчена та описана робота долота ріжучого типу [5, 7], створена модель роботи бурильного інструменту [1] при бурінні свердловин долотами ріжучого типу турбінним способом, проведено теоретичні дослідження [4, 6, 9] взаємодії долота ріжучого типу з вибоєм свердловини, аналіз їх результатів [6, 8, 11], та розроблена (у співавторстві) конструкція універсального бурового амортизатора [3, 12], проведено його виготовлення, стендові і промислові випробування.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на:

- міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України” (м. Івано-Франківськ, 7-10 грудня 1993 р.);

- науково-практичній конференції “Нафта і газ України” (м. Київ, 17-19 травня 1994 р.);

- науково-практичній конференції “Стан, проблеми і перспективи розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону України” (м. Львів, 28-30 березня 1995 р.);

- XII міжнародній міжвузівській школі-семінарі “Методи і засоби технічної діагностики” (м. Івано-Франківськ, 1995 р.);

- XVI міжнародній міжвузівській школі-семінарі “Методи і засоби технічної діагностики” (м. Івано-Франківськ, 1999 р.);

- науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 1994, 1995,1997,1998 р.р.);

- наукових семінарах кафедри буріння нафтових і газових свердловин Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2000 - 2001 р.р.).

Публікації. Основні положеня дисертаційної роботи опубліковані в 12 наукових працях, з них 2 праці без співавторства і 1 патент України на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Матеріал викладено на 135 сторінках машинописного тексту; робота містить 39 рисунків, 10 таблиць, 5 додатків, 115 назв бібліографічних джерел.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику д.т.н., професору Векерику В.І., д.т.н., професору Мойсишину В.М. та к.т.н. Молдавцеву С.А. за цінні поради при проведенні теоретичних досліджень, а також керівнику СКТБ Борецькому В.Г. за допомогу в організації виготовлення універсального бурового амортизатора.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, сформовані мета і задачі досліджень, вказана практична цінність роботи і шляхи її реалізації у практику буріння.

В першому розділі дається аналіз вітчизняних та зарубіжних досліджень, який дозволив оцінити стан і основні напрямки конструювання, вивчення динаміки і ефективність роботи доліт ріжучого типу та бурильного інструменту при поглибленні свердловин.

Значний вклад в дослідження роботи доліт ріжучого типу, закономірностей взаємодії їх озброєння з породою і вивчення впливу параметрів компоновки бурильної колони на ефективність процесу буріння внесли такі вітчизняні та зарубіжні вчені, як Х.І. Акчурін, Л.А. Алєксєєв, Г.В. Арцимович, Б.В. Байдюк, І.І. Барабашкін, А.Г. Бішієв, О.М. Бочковський, В.І. Векерик, І.Ф. Вовчановський, В.С. Владиславлєв, Р.Г. Ганієв, В.П. Дверій, О.Т. Драганчук, Р.М. Ейгелес, Н.Ф. Кагарманов, Я.В. Кунцяк, М.Р. Мавлютов, Р.М. Мамбетов, О.Г. Мессер, І.О. Свєшніков, О.І. Співак, Є.Т. Стругавцов, Г.І. Сукманов, та інші.

Встановлено, що на сьогоднішній день відсутні багатофакторні залежності, що пов'язують показники руйнування породи та конструктивні параметри елементів озброєння доліт ріжучого типу і режими їх роботи. Існуючі залежності в основному використовуються для вивчення окремих особливостей процесу і важко піддаються узагальненням. Це пов’язано з тим, що при дослідженнях недостатньо враховувався перерозподіл навантажень на ріжучі елементи та вплив зміни конструктивних параметрів долота на динаміку його роботи.

Вивчення коливань бурильного інструменту при заглибленні вибою долотами ріжучого типу дозволило встановити, що основною причиною руйнування озброєння долота та погіршеня роботи бурильного інструменту є динамічні навантаження, що діють на долото в процесі буріння. Найбільш негативний вплив на долота ріжучого типу, мають крутильні коливання.

Аналіз конструкцій відомих віброзахисних пристроїв показує, що використання одного пружного елементу для гасіння поздовжних та крутильних коливань, робить неможливим незалежно підбирати та регулювати жорсткістні характеристики для відповідних коливань.

Викладений вище матеріал дозволив визначити мету і основні задачі досліджень.

У другому розділі описана робота долота ріжучого типу та встановлені функціональні залежності між зусиллями, діючими на ріжучі елементи долота з використанням експериментальних характеристик процесу руйнування породи одиничними різцями.

Описати аналiтично рух долота рiжучого типу в процесi бурiння, враховуючи всi особливостi його взаємодiї з вибоєм практично неможливо. При виведенні залежностей було прийнято: корпус долота i рiзцi не деформуються; заглиблення долота за один оберт є величина постійна; осі долота i свердловини спiвпадають.

Для вивчення руху долота рiжучого типу в процесi бурiння, нами прийнята розрахункова схема, яка показана на рис. 1. Долото оснащене -рiзцями, якi армованi круглими пластинками радiусом і розташованi на кiльцевих -вiнцях (лiнiях рiзання) (рис.1.а.). Передні робочі поверхні пластинок відхилені від нормалі до поверхні породи на кут i утворюють з круговою траєкторією руху кут . Центри рiжучих пластинок рiзців вiддалені вiд осi обертання долота на величину . На кожний рiзець долота дiють вертикальне і горизонтальне зусилля (рис.1.б.), якi врiвноважуються осьовим навантаженням i крутним моментом на долоті.

Величина заглиблення -го різця може бути пiдрахована за формулою

(1)

де - половина кута мiж радiусами проведеними в точки перетину сiчної АВ при заглибленнi сегмента пластинки на величину .

Залежності зміни осьового навантаження на долото від заглиблення різця в породу для одиничного різця запишеться у вигляді

(2)

де - безрозмiрний коефiцiєнт, який враховує вплив вибiйних умов на деформацiйнi властивостi породи;

- твердість породи за штампом.

Рiзцi на периферії i у центральній частинi долота знiмають рiзнi по ширинi круговi дiлянки породи. Отже при розрахунках необхiдно враховувати перекриття площин рiзання сусiднiми рiзцями. Залежностi заглиблення різця від осьового навантаження для даного випадку запишеться у вигляді

(3)

Кути i згiдно рис.1.г. визначимо iз геометричних мiркувань

, . (4)

Розрахункові залежності, отримані за допомогою даних формул, свідчать, що iз збiльшенням кута нахилу площини круглої пластини рiзця, твердості породи та радіуса ріжучої пластини зусилля для його заглиблення на величину зростає.

Середнє значення горизонтальної сили на різці визначаємо зі співвід-ношення, запропонованого Б.В. Байдюком.

, (5)

де - коефіцієнт тертя пари “різець-порода”;

- коефіцієнт, який характеризує співвідношення бокового до вертикального У зміщення індентора при втискуванні його в породу (для доліт ріжучого типу =3 ).

При моделюванні роботи долота ріжучого типу необхідно задавати для кожного окремого різця залежність зміни горизонтальної сили від переміщення різця при руйнуванні породи. Для визначення величини амплітуди горизонтальної сили, а отже максимального та мінімального її значень, переміщень до сколу та після сколу , необхідна машинна база даних, в якій були б результати стендових лабораторних досліджень у вигляді функціональної залежності . При подальших розрахунках нами використовувалися такі залежності отримані Р.М. Ейгелесом та А.І. Корольком.

Зі змiною компоновки бурильної колони, включенням у її переріз вiброзахисних пристроїв i опорноцентруючих елементiв змiнюється взаємодiя озброєння долота з вибоєм.

Для вивчення динамiки роботи доліт ріжучого типу при роторному бурiнні вертикальної свердловини долотами рiжучого типу використовувалася розрахункова схема бурильного інструменту, яка показана рис.2. Вона включає долото рiжучого типу 1, ВЗП крутильних коливань 2 і 6, обважненi бурильнi труби (ОБТ) 3 i бурильнi труби 4, що вмiщують -секцiй, калiбратор 5 i ведучу трубу 7. Кожна секцiя труб має полярний момент iнерцiї поперечного сiчення, модуль зсуву матерiалу труб, осьовий момент iнерцiї погонного метра труб i швидкiсть розповсюдження хвиль крутильних коливань. Калiбратори i опорно-центруючi елементи мають осьовий момент iнерцiї , а їх взаємодiя iз стiнкою сверд-ловини при обертанні характеризується коефiцiєнтом в'язкого тертя . Включенi в компоновку бурильної колони вiброзахиснi пристрої крутильних коливань характери-зуються коефiцiєнтами жорсткостi і в’язкого опору .

Положення будь-якого січення бурильної колони в довільний момент часу описуємо диференціальним рівнянням у вигляді:

(6)

де - кут повороту навколо осi сердловини сiчення -ї секцiї бурильної колони з координатою в момент часу , вiдносно його початкового положеня;

- коефiцiєнт затухання крутильних коливань;

- швидкiсть розповсюдження хвиль крутильних коливань.

Рiвняння обертання долота запишеться у виглядi:

(7)

де - момент iнерцiї долота вiдносно його осi обертання;

- поточне значення кута повороту долота вiдносно його початкового положення;

- момент опору породи руйнуванню;

- момент тертя корпуса долота об стiнку свердловини;

В роботі записані граничні та початкові умови у відповідних перерізах бурильної колони, при відсутності та встановленні ВЗП крутильних коливань та опорноцентруючих елементів.

Повні величини кутових зміщень перерізів бурильної колони представлені у виглядi:

, (8)

де - кутова швидкiсть обертання ведучої труби;

- статична складова кутового змiщення -го сiчення бурильної колони;

- динамiчна складова кутового змiщення бурильної колони.

Таким чином, при моделюванні руху долота ріжучого типу і бурильного інструменту враховано, що в момент січення бурильної колони , яке з’єднане зі столом ротора, починається обертатись з кутовою швидкістю, а в момент часу збудження досягає долота і воно починає обертатися з початковою кутовою швидкістю . В цей момент часу положення січення бурильної колони характеризується функцією , що визначає статичний кут закручування січення бурильної колони з координатою . Кутові коливання долота, що генеруються при рухові долота й взаємодії його озброєння з вибоєм, розповсюджуються вздовж бурильної колони і описуються функцією .

Розрахункова схема бурильного iнструменту при бурiннi вертикальної свердловини турбобуром показана на рис.3. Вона включає долото 1 рiжучого типу, ВЗП 2, 4 і 6, турбобур 3, бурильнi труби 5, калiбратор 7, шестерню 8 стола ротора.

Для складання рiвняння руху елементiв системи вводимо координатну вiсь Оx, зв'язану з верхнiм торцем корпуса турбобура.

Граничні та початкові умови наведені в роботі.

Складнiсть розв’язання задачi полягає в тому, що величина , яка входить в рiвняння (10) і (11), є нелiнiйною функцiєю вiд величини , де Тому наближене розв’язання рiвнянь руху системи шукаємо шляхом замiни диференцiйних рiвнянь, граничних i початкових умов вiдповiдними рiзницевими спiввiдношеннями.

Розв’язок рiвняння (6) крутильних коливань перерізів бурильної колони шукаємо у виглядi:

(14)

де .

Оскільки крутильні коливання відіграють велику роль в питаннях міцності, довговічності та економічності вибійного двигуна нами запропонована більш досконала розрахункова модель, яка враховує силовий зв’язок між ротором і статором турбобура, що здійснюється через промивну рідину. В роботі наведена уточнена аналітична модель бурильного інструменту при бурінні свердловин турбінним способом, в якій силовий зв'язок між ротором і статором ступені секції турбобура представлено коефіцієнтами жорсткості та демпфування, які визначаються експериментально.

Обґрунтована можливість визначати розрахункові величини механічної швидкості буріння та енергетичного параметра взаємодії долота з вибоєм – енергоємність руйнування породи.

Запропонована модель для вивчення динаміки при турбінному способі буріння вертикальної свердловини долотами ріжучого типу дозволяє проводити оцінку впливу конструктивних параметрів долота, механічних властивостей породи і параметрів режиму буріння на ефективність процесу заглиблення вибою. Вичислювальні експерименти за розробленим алгоритмом дозволять встановити ряд нових функціональних залежностей зміни показників ефективності роботи долота ріжучого типу для керування процесом буріння і для обґрунтування підбору параметрів режиму буріння долота та компоновки бурильної колони, забезпечення найбільш ефективного ведення процесу буріння.

На основі алгоритму наближеного розв'язку задачі моделювання процесу буріння вертикальної свердловини турбінним способом долотами ріжучого типу складені мовою програмування PASCAL комп'ютерні програми “RISEZ”, DRILL”, “BUS".

У третьому розділі дана оцінка впливу конструктивних параметрів долота, параметрів бурильного інструменту та режиму буріння на динаміку роботи долота ріжучого типу.

Проведені обчислювальні експерименти і отримано результати розрахунку кінематичних і динамічних параметрів руху бурової механічної системи "порода - долото ріжучого типу - турбобур – бурильна колона" в процесі буріння при різній жорсткості компоновки низу бурильної колони і режимах буріння.

При дослідженнях використовувались наступні компоновки бурильного інструменту:

компоновка 1 - долото ДРС214,3 – М1; турбобур А7Ш; ОБТ178–10 м; ТБПВ – - 1000 м;

компоновка 2 - долото ДЛР146; турбобур ТС4А – 127; ОБТ105–15 м; ТБВ - - 1500 м.

У програмі передбачена можливість встановлення в будь-якому перерізі бурильного інструменту ВЗП крутильних коливань, що моделюється в'язко-пружним тілом.

Породи на вибої вибирались з умови, що їх фізико-механічні властивості дозволяють забезпечити ефективне застосування доліт ріжучого типу, зокрема пісковик слюдистий, мармур "коелга", вапняк дрібнокристалічний.

В результаті реалізації програми на ЕОМ розраховувалися наступні величини:

- миттєва швидкість обертання корпуса долота;

- динамічні складові і середнє значення крутного моменту на долоті та турбобурі;

- динамічні складові та середнє значення моменту опору породи руйнуванню;

- динамічні складові реактивного моменту корпуса турбобура та кута закручування колони бурильних труб;

- механічна швидкість та енергоємність заглиблення вибою.

Для аналізу розрахунків використовувалися наступні показники:

- розмах коливань крутного моменту Ам на долоті

, (17)

де , - відповідно максимальне і мінімальне значення динамічної складової крутного моменту на корпусі долота.

- коефіцієнт динамічності крутного моменту на долоті, у вигляді:

, (18)

де - середнє значення крутного моменту на корпусі долота.

Досліджувався вплив конструктивних параметрів долота (), параметрів режиму буріння () та жорсткості віброзахисного пристрою крутильних коливань на динаміку системи “порода-долото-турбобур-бурильна колона”, а також вплив даних параметрів на показники ефективності буріння.

При вивченні особливостей руйнування гірської породи та впливу розміщення різців відносно осі долота на динаміку роботи системи встано-влено, що при віддаленні різця від осі долота середнє значення крутного моменту на долоті зростає за лінійною залежністю. З ростом осьового навантаження від 1,5 до 5,25 кН його величина зростає в 3,0 - 3,5 рази, а при збільшенні твердості породи Рш від 60·107 до 120·107 Н/м2 значення моменту зростає в 1,4-1,6 раз. Розмах коливань крутного моменту Ам на долоті зростає за залежністю близькою до лінійної, із збільшенням осьового навантаження в 3,5 раз розмах коливань зростає в 3,2-3,9 раз.

Включення в компоновку ВЗП не впливає на характер зміни величини середнього значення крутного моменту на долоті, при цьому гасяться низькочастотні коливання, зменшується розмах коливань крутного моменту. При зміні жорсткості ВЗП від 100·103 до 20·103 Нм/рад, осьовому навантаженні Рос=3,5 кН, з віддаленням різця від осі обертання розмах Ам коливань крутного моменту зменшується на 70-90 % в порівнянні із жорсткою компоновкою.

Для вивчення впливу кількості ріжучих елементів на одній лінії різання на динаміку роботи долота та енергоємність руйнування породи, на моделі долота, при осьовому навантаженні Рос=1 кН (порода мармур) закріплювали послідовно один, два і три різці на одній лінії різання.

За результатами досліджень встановлено, що: із збільшенням кількості різців від 1 до 3 на лінії різання середнє значення крутного моменту Мд ср на долоті не змінюється, коефіцієнт динамічності Кд зменшується на 6-8%, а енергоємність руйнування породи Ер зростає в 3 рази. При встановленні в компоновку ВЗП жорсткістю , відбувається зменшення величини розмаху коливань крутного моменту Ам на 85%, коефіцієнт Кд зменшується з 1,24 до 1,04, при цьому енергоємність руйнування зростає на 8%.

Для вивчення впливу параметрів режиму буріння та жорсткості компо-новки низу бурильної колони на зміну динамічних параметрів руху долота ріжучого типу використана компоновка 1.

Аналізуючи отримані розрахункові поточні значення крутного моменту Мд на долоті ДРС 214,3 М-1 при зміні осьового навантаження від 30 до 100 кН можна відзначити, що всі наведені залежності мають чітко виражений коливний характер. В режимі малого силового навантаження на долото () при бурінні пісковика, залежність Мд(t) має плавний синусої-дальний характер. При цьому заглиблення долота в породу мале, і значну роль відіграє процес перерозподілу навантаження між породоруйнівними елементами. З ростом осьового навантаження відбувається зміна характеру крутильних коливань корпусу долота. Вони носять випадковий характер, так як їх параметри не повторюються періодично за певний проміжок часу роботи долота. Розмах і частота коливань функції Мд(t) з ростом осьового навантаження на долото зростають. Збільшення розмаху коливань пов’язане з ростом заглиблення різців в породу, а збільшення частоти коливань - зміною параметрів коливання горизонтальної складової сили різання. Із збільшенням твердості породи, частота коливань пропорційно зростає, але якісна картина залежностей Мд(t) при збільшенні осьового навантаження не змінюється.

При бурінні свердловин долотами ріжучого типу з використанням вибійних двигунів, особливого значення набуває контроль за крутним моментом. Встановлено, що при осьовому навантажені максимальні динамічні значення крутного моменту на долоті досягають максимального (гальмівного) моменту вибійного двигуна, що може спричинити зупинку двигуна. Одночасно збільшується реактивний момент в компоновці низу бурильної колони, що може привести до втрати її стійкості, зміни напрямку заглиблення вибою свердловини.

При бурінні пісковика та мармуру в режимі малого силового навантаження () розмах коливань Ам крутного моменту майже не змінюється. При збільшенні від 30 до 100 кН, при руйнуванні мармуру, Ам зростає за залежністю близькою до лінійної в 8 раз. Очевидно, це пов’язано із збільшенням амплітуди сумарної реакції вибою, зв’язаної із збільшенням величини розмаху горизонтальної складової сили різання. При бурінні більш м’яких порід (пісковик слюдистий) максимальне значення Ам=0,63 кНм спостерігається при Рос=80 кН. Із збільшенням осьового навантаження до 100 кН розмах коливань зменшується до 0,25 кНм.

Включення в компоновку низу бурильної колони наддолотного ВЗП крутильних коливань приводить до суттєвого зменшення динамічних складових крутного моменту діючого на долоті.

Встановлення в компоновку ВЗП та зміна його жорсткості не впливає на середнє значення крутного моменту. Частота коливань функції Мд (t) при зміні жорсткості наддолотного ВЗП від до практично не змінюється і співпадає з частотою коливань при жорсткій компоновці низу бурильної колони і однаковому режимі буріння. Встановлення ВЗП в КНБК при турбінному способі буріння долотами ріжучого типу приводить до зменшення максимального динамічного крутного моменту на долоті, що дає можливість працювати при оптимальних режимних параметрах та підтримувати високу ефективність буріння.

При бурінні пісковика компоновкою без ВЗП з ростом осьового навантаження від 30 до 120 кН спостерігається плавний ріст значення Кд до величини 1,21 при Рос=70 кН, та спадом коефіцієнта динамічності до 1,06 при Рос=100 кН. Це пов’язано із зменшенням величини розмаху горизонтальної складової сили різання при збільшенні заглиблення різців та перерозподілом навантажень на ріжучих елементах долота, враховуючи форму кривої для м’яких порід. При бурінні більш твердих порід, мармуру та вапняка, спостерігається непропорційний ріст коефіцієнта динамічності Кд з ростом Рос . Максимальне значення Кд=1,32 досягається під час буріння вапняка при осьовому навантаженні 50 кН. При встановленні ВЗП відбувається зменшення коефіцієнта динамічності в 1,25 – 1,27 раз в порівнянні з компоновкою бурильної колони без ВЗП і однаковим режимом буріння.

Із збільшенням крутної жорсткості ВЗП від до коефіцієнт динамічності зростає за залежністю близькою до лінійної в діапазоні 1,02-1,18. Розмах величини крутного моменту пропорційний жорсткості ВЗП.

При вивченні впливу конструктивних параметрів долота ріжучого типу на зміну його динамічних параметрів руху встановлено, що:

-

-

З точки зору динаміки роботи долота ріжучого типу та зносостійкості його озброєння збільшення кількості лопатей, що зумовлює зменшення ефективних площин різання породоруй-нівних елементів, приводить до покращання даних показників.

Збільшення кількості ріжучих елементів на одній лінії різання від одного до трьох приводить до зменшення коефіцієнта динамічності на 25%. Включення в компоновку ВЗП крутильних коливань при встановленні одного різця на лінії різання і однакових умовах буріння, зменшує коефіцієнт динамічності на 67% . Це підтверджує, що використання ВЗП при бурінні свердловин долотами ріжучого типу, значно покращує динаміку взаємодії ріжучого інструменту з вибоєм та зменшує динамічні навантаження на ріжучих елементах долота.

Проведені порівняння отриманих нами розрахункової та експерименттальної залежності коефіцієнта динамічності крутного моменту від кількості лопатей долота ДЛР-146 плоского профілю в АТ "НДІКБ бурового інструменту" свідчить про задовільну кількісну збіжність результатів (розбіжність - 7-9 %).

Розроблена аналітична модель роботи бурильного інструменту при бурінні вертикальної свердловини долотами ріжучого типу турбінним способом дозволяє визначати такі ефективні параметри процесу буріння, як механічна швидкість Vм та енергоємність Ep заглиблення свердловини.

Аналізуючи залежності механічної швидкості буріння Vм від осьового навантаження Poc, необхідно відмітити, що Vм при збільшенні Poc зростає до певного значення, після чого настає стабілізація росту, а потім зменшення, особливо інтенсивне в області режиму близького до гальмівного. Зменшення Vм пояснюється переважаючим впливом зменшенням частоти обертання долота над ростом осьового навантаження. При бурінні в м'яких породах ця різниця значно більша, ніж при бурінні порівняно твердих порід. Так при бурінні вапняка Vм має максимальне значення 9,5 м/год при Рос=70 кН, із зменшенням твердості породи в 2 рази, максимум Vм досягається при Рос=50 кН і становить 20,42 м/год.

Аналіз залежності Ер(Рос) при зміні твердості породи дозволив встановити, що при бурінні пісковика із збільшенням осьового навантаження Рос від 10 до 70 кН, величина Ер монотонно зростає від 32 до 90 кДж/м3. Подальше збільшення осьового навантаження призводить до незначного зменшення величини енергоємності руйнування. При збільшенні твердості породи якісна картина залежності Ер(Рос) не змінюється, максимум Ер переміщується в зону великих осьових навантажень. Темп росту крутного моменту Мд на долоті ріжучого типу перевищує темп збільшення заглиблення Н долота за оберт.

Запропонований метод моделювання процесу буріння може надати суттєву допомогу при проектуванні доліт ріжучого типу, виборі оптимального режиму їх відпрацювання і в прогнозуванні показників ефективності буріння.

Четвертий розділ присвячений розробці напрямків практичного використання результатів досліджень роботи долота ріжучого типу.

Проведені нами дослідження дозволили встановити конструктивні і технологічні вимоги до доліт ріжучого типу, що забезпечують ефективність їх застосування :

- встановлення ріжучих елементів “стратапакс” з переднім кутом різання 150-200 при якому зберігається підвищена міцність і опір ріжучих елементів поломкам та руйнуванню;

- використання в конструкції принципу розчленування вибою на зони руйнування окремими групами різців з метою забезпечення менш енергоємної схеми різання;

- встановлення в кожній зоні та лінії різання мінімальної кількості різців, при збереженні повного перекриття вибою і рівномірного навантаження по поверхні торця;

- оцінювати оптимальні значення режимів буріння на основі виведеної функціональної залежності , яка враховує механічну характеристику породи, геометричні параметри ріжучих елементів та умови буріння;

- при бурінні долотами ріжучого типу порід середньої твердості та твердих порід використовувати в компоновці низу бурильної колони ВЗП, що приведе до зменшення динамічних навантажень на ріжучі елементи долота, вібрацій, які поширюються вверх по бурильній колоні, збільшення проходки на долото, покращання роботи вибійного двигуна та бурильної колони.

На базі розроблених моделей є можливість створення комп'ютерних програм, які б дозволяли розрахунковим шляхом провести:

- дослідження впливу геометричних параметрів ріжучих елементів та форми профілю долота на показники ефективності руйнування породи із заданими механічними характерис-тиками;

-дослідження впливу розміщення різців по поверхні долота довільної геометричної форми на ефективність процесу буріння;

- дослідження впливу параметрів компоновки бурильної колони і режиму буріння на роботу вибійних двигунів та зносостійкість породоруйнуючих елементів долота даної конструкції при бурінні породи із заданими механічними характеристиками.

Розроблена модель дає можливість подальшого розвитку теоретичних і прикладних досліджень по ефективному використанню віброзахисних пристроїв:

- оцінка впливу параметрів компоновки бурильної колони на динаміку взаємодії ріжучих елементів долота заданої конструкції з породою;

- дослідження впливу типорозміру і довжини секцій ОБТ, місця встановлення і характеристик ВЗП поздовжних та крутильних коливань на початкову механічну швидкість при бурінні порід із заданими механічними характеристиками;

- вибір місця встановлення і характеристик ВЗП для забезпечення необхідного режиму роботи бурової системи із заданими конструктивними і фізичними параметрами;

Для практичної реалізації результатів досліджень, зменшення динамічних навантажень на озброєння доліт ріжучого типу, нами також розроблено новий віброзахисний пристрій - універсальний буровий амортизатор. Експеримен-тально визначені статичні складові крутильної і поздовжньої жорсткості пружних елементів амортизатора та наведені залежності для розрахунку динамічних складових відповідних жорсткостей. Попередні експлуатаційні випробування універсального бурового амортизатора показали його працездатність та ефективність.

ВИСНОВКИ

В даній роботі отримали подальший розвиток дослідження взаємодії озброєння долота ріжучого типу з вибоєм, вдосконалені аналітичні методи дослідження динаміки і ефективності роботи бурових механічних систем “порода – долото - бурильна колона – привід установки” і “порода – долото - вибійний двигун - бурильна колона” при поглибленні вертикальних свердловин, створена комп’ютерна програма і проведена оцінка впливу конструктивних параметрів долота, режиму буріння та параметрів ВЗП крутильних коливань на динаміку і ефективність роботи долота ріжучого типу.

1. Проведено аналіз досліджень пов’язаних з вивченням роботи доліт ріжучого типу та вказані шляхи вдосконалення існуючих моделей. Встановлено, що однією з основних причин руйнування озброєння долота та погіршення роботи бурильного інструменту є динамічні навантаження, що діють на долото в процесі буріння.

2. Виведено нову залежність зміни осьового навантаження на долото ріжучого типу від його заглиблення з врахуванням конструктивних параметрів долота, механічних характеристик породи та перекриття площин різання сусідніми різцями долота. Встановлені функціональні залежності між вертикальними і горизонтальними зусиллями діючими на ріжучі елементи долота з використанням експериментальних характеристик процесу руйнування породи одиничними різця-ми.

3. Описана спільна робота долота ріжучого типу і бурильної колони при роторному і турбінному способах буріння. Розроблені аналітична модель та алгоритм наближеного числового рішення рівнянь руху системи ”долото ріжучого типу – вибійний двигун – бурильна колона” дозволяють визначати в будь-який момент часу динамічні параметри взаємодії долота ріжучого типу з вибоєм, кутові зміщення січень бурильної колони, величини динамічних крутних моментів на долоті, турбобурі і в січеннях бурильної колони, при зміні конструктивних параметрів долота, компоновки бурильної колони і режиму буріння на ефективність заглиблення вибою при бурінні вертикальної свердловини.

4. Встановлено, що з ростом осьового навантаження і твердості породи середнє значення крутного моменту на долоті зростає за залежністю близькою до лінійної. Розмах коливань крутного моменту при бурінні пісковика та мармуру в режимі навантажень , майже не змінюється. При збільшенні осьового навантаження від 30 до 100 кН розмах коливань зростає до , а потім зменшується. При рості твердості породи зберігається характер зміни Ам при цьому максимальне значення Ам досягається при більшому осьовому навантаженні. Зі збільшенням витрат промивної рідини від 30 до 40 л/с, розмах коливань крутного моменту зменшується в середньому на 25-30 %.

5. Включення в компоновку ВЗП не впливає на характер зміни величини середнього значення крутного моменту на долоті, при цьому гасяться низькочастотні коливання, зменшується розмах коливань крутного моменту. Коефіцієнт динамічності крутного моменту при встановленні ВЗП жорсткістю 60·103...120·103 Нм/рад зменшується в 1,25-1,27 раз, в порівнянні із компоновкою без ВЗП.

6. Встановлено, що при розбурюванні мармуру долотом ДЛР-146 з осьовим навантаженням 20 кН, збільшення кількості ріжучих елементів на одній лінії різання до трьох приводить до зменшення коефіцієнта динамічності на 25% і росту енергоємності руйнування в 3 рази. Включення в компоновку ВЗП крутильних коливань жорсткістю 60·103 Нм/рад при одному різці на лінії різання приводить, до зменшення на 67% при збереженні величини енерго-ємності руйнування вибою.

7. Механічна швидкість Vм буріння при збільшенні осьового навантаження Poc зростає до певного значення, після чого настає стабілізація росту, а потім зменшення, особливо інтенсивне в області гальмівного режиму роботи турбобура.

Встановлено, що при бурінні пісковика долотом ДРС214,3 М-1 із збіль-шенням осьового навантаження Рос від 10 до 70 кН, величина енергоємності руйнування Ер монотонно зростає від 32 до 90 кДж/м3, подальше збільшення осьового навантаження призводить до незначного зменшення величини Ер. При збільшенні твердості породи якісна картина залежності Ер(Рос) не змінюється, максимальне значення енергоємності руйнування досягається при більших осьових навантаженнях.

8. Співставлення розрахункових залежностей з експериментальними даними, отриманими при стендових і промислових випробуваннях, дає основу твердити, що розроблені аналітичні моделі роботи долота ріжучого типу відтворюють фізичні процеси, що відбуваються в бурильному інструменті при поглибленні вибою свердловин. Отримані залежності дозволяють проводити оцінку динаміки і ефективності роботи доліт ріжучого типу при їх конструюванні і розробці технологій ефективного використання.

9. Cтворено новий віброзахисний пристрій - універсальний буровий амортизатор, ефективність роботи якого досягається шляхом гасіння поздовжних і крутильних коливань окремими пружними елементами незалежної дії. Випробовуваннями експериментального взірця в промислових умовах встановлена його працездатність і ефективність.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО РОБОТІ

1. Витязь О.Ю. Модель роботи бурильного інструменту при бурінні свердловини турбінним способом. // Державний міжвідомчий науково-технічний збірник "Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ". Серія: Буріння нафтових і газових свердловин. - Випуск 33. - Івано-Франківськ. - 1996. - С. 166-170.

2. Векерик В.І., Витязь О.Ю. Вплив кількості породоруйнівних елементів долота ріжучого типу на ефективність процесу буріння. // Державний міжвідомчий науково-технічний збірник "Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ". Серія: Методи і засоби технічної діагностики. - Випуск 36 (8). - Івано-Франківськ. - 1999 . - С.342-347.

3. Векерик В.І., Витязь О.Ю., Мойсишин В.М., Борецький В.Г. Дослідження роботи універсального бурового амортизатора. // Державний міжвідомчий науково-технічний збірник "Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ". Серія: Буріння нафтових і газових свердловин. - Випуск 35 (2). - Івано-Франківськ. - 1998. - С. 7-15.

4. Мойсишин В.М., Витязь О.Ю., Крихівський М.В. Визначення власних частот крутильних коливань багаторозмірної бурильної колони. // Державний міжвідомчий науково-технічний збірник "Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ". Серія: Буріння нафтових і газових свердловин. - Випуск 35 (2). - Івано-Франківськ. - 1998. - С. 26-34.

5. Витязь О.Ю. Взаємозв'язок мiж заглибленням i осьовим навантаженням на долото рiжучого типу. // Збірник статей міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України”, Ч.2.: Буріння нафтових і газових свердловин. - Івано-Франківськ, ІФІНГ. - 1995. - С.118-122.

6. Витязь О.Ю., Векерик В.І. Динамiчнiсть i ефективнiсть заглиблення вертикальної свердловини роторним способом долотами рiжучого типу. // Збірник статей міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України”, Ч.2.: Буріння нафтових і газових свердловин. - Івано-Франківськ, ІФІНГ. -1995. - С.110-118.

7. Витязь О.Ю., Векерик В.І. Про вдосконалення породоруйнівних інструментів ріжучого типу. // Збірник статей міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України”, Ч.2.: Буріння нафтових і газових свердловин. - Івано-Франківськ, ІФІНГ. - 1995. - С. 68-73.

8. Витязь О.Ю., Векерик В.І. Динаміка долота ріжучого типу. // Матеріали XII міжнародної міжвузівської школи-семінару "Методи і засоби технічної діагностики", Івано-Франківськ, ІФДТУНГ, 1995. - 222 с.

9. Витязь О.Ю., Молдавцев С.А. Аналітичне дослідження взаємодії озброєння долота різального типу з вибоєм свердловин. //. Матеріали науково-практичної конференції "Нафта і газ України" (Київ, 1994 р.). - Том 2. -