Методы регулирования динамической нагрузки долота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------ © Л.Б. Хузина, М. С. Габдрахимов,

2006

УДК 622.24

Л.Б. Хузина, М. С. Габдрахимов

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ДОЛОТА

Семинар № 20

~ҐЬ последние десятилетия про--М-Э водились различные лабораторные, промысловые и аналитические исследования работы бурильного инструмента [2]. Основные направления исследований были связаны с гашением колебаний, которые снижали стойкость долота, уменьшали срок службы элементов бурильной колонны. Разрабатывались и применялись различные демпфирующие механизмы - амортизаторы, гасители и отражатели колебаний. Однако, как признается многими учеными, без колебательных процессов невозможно углубление скважин и более обоснованной выглядит задача управления динамикой бурильного инструмента при проводке скважин

Остановимся на лабораторных исследованиях работы бурильного инструмента, связанных с динамическими нагрузками на долото, в частности с вибрацией. Изучением влияния вибрации на основные механические показатели бурения в теоретическом и экспериментальном аспекте занимались многие ученые.

Наиболее широкие экспериментальные исследования вибрации были проведены Ф.Ф. Воскресенским, А.В. Кичи-гиным, В.М. Славским, Ю.Н. Славским и Э.Д. Тагиевым. Исследование влияния частоты вибратора на скорость бурения, проводившиеся при всех постоянных параметрах, кроме числа оборотов вибратора, показали, что при бурении

трехшарошечным долотом наложение вибраций на инструмент при статическом бурении значительно увеличивает скорость.

Вибрационное бурение приводит к существенному повышению скорости бурения. Для того, чтобы получить такие скорости при вращательном способе необходимо значительно повышать число оборотов инструмента и нагрузку на него, что существенно увеличивает износ шарошек и опор долота.

Вибробурение проводилось для различных горных пород, оказалось, что влияние вибрации на скорость бурения ослабевает с уменьшением прочности породы.

Как следует из экспериментальных исследований, вибрация долота является эффективным средством повышения скорости бурения в твердых породах. Это явилось основой для создания вибрационного или ударно-вращатель-ного бурения, которое начало развиваться учеными Г.И. Неудачиным, Л.Э. Графом, Ф.Ф. Воскресенским, Д.Д. Барканом, В.М. Славским,

О.И. Тагиевым. Были созданы гидроударники как простого, так и двойного действия, вибромолоты и механические деба-лансные вибраторы, повышающие производительность буровых работ в 2-3 раза.

Интерес к устройствам, способным регулировать динамическую нагрузку на долото проявляют и зарубежные ученые. Так, в работе [1] отмечается, что применение в забойной компоновке при на-

клонном бурении скважин со средним и большим углом кривизны устройства для создания нагрузки на долото позволило повысить механическую скорость бурения на 35 % в режиме проскальзывания и на 15 % в режиме вращательного бурения. Уменьшилось число поломок инструмента в скважине, особенно связанные с системами измерения параметров в процессе бурения (МЖЭ), каротажем (ЬУБ) и забойными двигателями, в целом сократились неисправности на 40-50 %.

Применение усилителей нагрузки на долото обусловлено такими причинами, как: падение нагрузки на долото; прерывистое скольжение; чрезмерный вращающий момент в скважине, частые остановки забойного двигателя.

Как следует из приведенных в работе данных, финансовая выгода при включении в состав забойной компоновки усилителя нагрузки убедительно доказана. Это выражается в среднем увеличении механической скорости бурения в режимах проскальзывания и вращательного бурения на 35 и 15 % соответственно; в сокращении количества поломок забойного инструмента - примерно на 40-50 %.

Следовательно, из ранее проведенных лабораторных и промысловых исследований и зарубежного опыта видно, что воздействие динамических нагрузок и применение усилителей нагрузки на долото при бурении нефтяных скважин может оказывать положительное влияние на механическую скорость бурения и проходку и является эффективным методом регулирования динамической нагрузки долота.

Отметим, что управление динамической нагрузкой бурильной колонны может быть осуществлено одним из следующих способов:

1) применением регулирующих устройств (продольных, крутильных или по-

перечных колебаний) или специальных отражателей энергии, устанавливаемых в расчетных местах бурильной колонны;

2) использованием в компоновке бурильной колонны труб из сплавов с повышенными регулирующими свойствами;

3) применением эффекта отражения энергии на границе сталь-дюралюминий (сплав Д 16 Т), т.е. целенаправленным использованием ЛБТ.

4) использованием эффекта динамического регулирования специальным "чередованием" СБТ и УБТ.

5) предупреждением формирования ухабообразности забоя технологическими режимами (нагрузкой на долото, расходом жидкости и др.).

6) уменьшением сил трения колонны о стенки ствола скважины путем нейтрализации влияния продольных релаксационных автоколебаний на формирование уха-бообразности забоя скважины.

Наибольшее распространение в промысловой практике из приведённых методов получили три основных спосо-ба[3]:

1. Установка в нижней части колонны регулирующих устройств для продольных, крутильных или поперечных колебаний или какой-либо комбинации их.

2. Применение технологического режима бурения, обеспечивающего минимальную амплитуду вибрации низа колонны.

3. Использование специальных составных компоновок бурильных колонн, основанных на эффектах акустического или динамического регулирования.

Однако, распространенные способы гашения продольных колебаний низа бурильного инструмента, даже при успешном использовании, приводят лишь к новой форме динамического равновесия, т.е. только к снижению амплитуды колебаний, а не к устранению их.

Предлагаемый метод направлен на целенаправленное нарушение взаимосвязи между продольными и крутильными колебаниями, предопределяемыми геометрическими параметрами ухабообразности забоя скважины, т.е. параметрами автоколебательной системы бурильная колонна -скважина.

Такой метод борьбы с ухабообразно-стью забоя может быть реализован с помощью специальных конструкций, например конструкций, создающих при продольном динамическом перемещении долота, дополнительно, переменный крутящий момент, вектор которого направлен противоположно вектору крутящего момента, вызываемого крутильными колебаниями долота от тангенциальной в направлении вращения составляющей реакции ухабов на шарошки. В результате, возникает относительное увеличение кинетической энергии внедрения зубьев долота в породу при разрушении ухабов, что приводит к постепенному выравниванию забоя скважины, а при возникновении ухабов - к их ликвидации.

Реализация описываемого способа выравнивания забоя приводит также к уст-

1. Корлес А. Джайлс и Тони Сисахей В.Р., Джон В. Брукс Smith International IHC.; Вил-марк Джонетти, Trinpet Services. Гидравлические усилители нагрузки повышают эффективность бурения // Нефтегазовые технологии. -2002.- №1. - С.50-54.

2. Балицкий В.П., Дранкер Г.И. Коэффициент динамичности разрушения забоя при турбинном бурении вертикальных скважин.// Ма-

ранению наиболее вредных для процесса разрушения забоя и энергоемких грунтовых колебаний долота, что позволяет увеличить долговечность опор шарошек и других элементов бурильной колонны, снизить аварийность и повысить механическую скорость бурения скважины.

Для реализации предложенного метода перспективным является разработка специальных наддолотных виб-

роусилителей, включающих в себя элементы или узлы, нарушающие синхронность автоколебаний бурильного инструмента. Такие элементы не требуют дополнительной разработки сложных по конструкции синхронизирующих механизмов с элементами обратной связи (с ухабообразностью забоя). Это позволяет, наряду с простотой эксплуатации, обеспечить простоту их конструкции и, соответственно, невысокую стоимость изготов-ления. Одним из таких направлений дифференцированного управления динамикой бурильного инструмента и является разработка серии наддолот-ных многоступенчатых виброусилителей.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

шины и нефтяное оборудование: Рефер. на-учн.-техн.сб.- М.: ВНИИОЭНГ, 1976.- № 12.-С. 15.

3. Янтурин А.Ш. Передовые методы эксплуатации и механика бурильной колонны.-Уфа: Башкирское книжное изд-во, 1988. - С. 168.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------

Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С. - Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в городе Октябрьском.