CC BY
44
© Л.Б. Хузина, М.С. Габдрахимов, 2006
УДК 622.24
Л.Б. Хузина, М.С. Габдрахимов
ОПТИМАЛЬНЫЕ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ВИБРАЦИОННОГО БУРЕНИЯ
Семинар № 16
дной из важных задач горной и нефтегазовой промышленности является создание оптимального, с точки зрения экономичности и надежности, режима бурения и разработка соответствующего технологического оборудования.
В настоящее время, широкое распространение получили бурение при помощи турбобуров, электробуров, роторное бурение. Отметим некоторые особенности бурения:
• осевая нагрузка на долото создается подачей колонны к забою. Между подачами, в частности, на горизонтальных участках осевая нагрузка сводится к нулю;
• не передаются обратные осевые вибрации долота, которые играют необходимую роль для снижения сил трения;
• осевое гидравлическое усилие формируется только промывочным узлом долота;
• не предусмотрено устройство для снижения пиковых осевых усилий на долото, уменьшающих его долговечность и коэффициент передачи мощности на забой.
На сегодняшний день создано большое количество гидроударных механизмов, способных создать необходимое осевое гидравлическое усилие на долото, отличающихся своими рабочими параметрами. Наиболее характерные из них: мощность удара, частота, энергия единичного удара, коэффициент полезного действия, свободный ход бойка. Определение оптимального диапазона параметров работы гидроударных механизмов является одной
из актуальных задач разработки новых и совершенствования существующих конструкций.
Одним из определяющих параметров, на который ссылаются многие авторы и влияющим на работу гидроударных механизмов, является частота. Частотный диапазон достаточно велик, от 5 Гц до 4500 Гц. Заметим, что в работах Ф.Ф. Воскресенского и других высказывалось утверждение, что с повышением частоты скорость проходки должна увеличиваться. Нет определенного мнения по поводу максимального значения частоты, позволяющего получить большую скорость проходки.
На кафедре НПМО ОФ УГНТУ проводятся экспериментальные исследования оптимальных параметров гидроударных механизмов и моделей их рабочих элементов на лабораторном стенде. Проведение экспериментов в лабораторных условиях с применением моделей рабочих элементов вибраторов вызвано трудностями регулирования параметров забойных гидроударных механизмов непосредственно на забое скважины. Выбор моделей осуществлялся в результате декомпозиции гидроударного механизма по рабочим элементам и физическим процессам, с учетом детерминированных и стохастических критериев подобия, отражающих физическое подобие по функциям, конструктивным параметрам, используемым материалам, технологии изготовления и т. д.
Лабораторный стенд состоит из стола 1, стойки 2, ползуна 3, образца разбуриваемой породы 4, вибратора 5, индентора 6, нагрузочного устройства 7. Для измерения параметров вибрации применялась измерительная система лабораторного стенда, представленная вибродатчиком 8, аналого-цифровым преобразователем 9, электронным счетчиком сигналов 10.
Экспериментальные работы проводились путем воздействия вибратора на горную породу при статической и динамической нагрузке. В качестве образцов горной породы были выбраны гранит и мрамор, как породы, обладающие высокой категорией твердости. Индукционный вибропреобразователь (вибродатчик) преобразовывал механические колебания в электрические сигналы, пропорциональные виброскорости. При измерении амплитуды сигналы с вибродатчика через интегратор поступали на аналого-цифровой преобразователь
(АЦП). Выходной сигнал АЦП подавался на вход электронного счетчика и фиксировался затем на цифровом индикаторе.
Рис. 1. Схема лабораторного
стенда: 1 - стол; 2 - стойка; 3 -ползун; 4 -образец разбуриваемой породы; 5 - вибратор; 6 - индентор; 7 - нагрузочное устройство; 8 -вибродатчик; 9 - АЦП; 10 - электронный счетчик сигналов
При проведении лабораторных испытаний контролировались следующие параметры: частота ударов, амплитуда динамической и статической нагрузки, глубина внедрения, время внедрения, величина мощности вибратора.
Экспериментальные значения являются случайными величинами и для обработки результатов применялись методы и законы теории погрешностей и математической статистики.
Проведенные лабораторные эксперименты показали, что при неизменном значении: величины нагрузки, времени воздействия, образца горной породы, частоты воздействии, ударновращательный режим бурения дает в несколько раз большую скорость внедрения, чем ударный, а при постоянных величинах: режима работы, образца
породы, динамической нагруз-ке, времени воздействия, оказалось, что скорость внедрения растет с увеличением частоты воздействия. Но, начиная с частоты 145 Гц при ударном режиме, и 111 Гц при ударно -вращательном существенного при-роста скорости внедрения не наблюдалось.
На рис. 2, 3 приводятся диаграммы зависимости скорости внедрения индентора от частоты для гранита: при ударном режиме (рис. 2) и ударно-вращательном режиме (рис. 3). Точками обозначены экспериментальные значения, которые аппроксимировались при помощи полиномиальной линии тренда (показана сплошной линией). На диаграммах показано уравнение регрессии. Величина достоверно-
3.000
2.500
2.000
1.500 1,000 0,500
0,000 -0,500
у = -1Е-12х6 + 1Е-09х5 ■
-0,0033х2 + 0,0873х - 0,4753
----♦♦-------:--------------
0_____50_____100____150____200___250____300____350
частота, Гц
4Е-07х4 + 5Е-05х3
сти аппроксимации Й2 для первой зависимости (рис. 1) составила 0,8933, для второй зависимости (рис. 2) равна
0,9083.
Из приведенных графиков видно, что наиболее оптимальным является ударно-вращательный режим бурения с частотным диапазоном, ограниченным значением 100-200 Гц.
Исходя из результатов лабораторных экспериментов, был разработан гидроусилитель для вибрационного бурения скважин с частотным диапа-зоном, лежащим в области оптимальных частот.
Устройство для вибрационного бурения скважин состоит из корпуса, внутри которого в нижней части установлен
Рис. 2. -Зависимость скорости внедрения индентора в гранит от частоты воздействия при ударновращательном режиме
Рис. 3. Зависимость скорости внедрения индентора в гранит от частоты воздействия при ударном режиме
шток при помощи ниппеля и шпонки. Для образования замкнутых гидравлических камер внутри корпуса установлены перегородки и поршни.
Герметизация штока и замкнутых камер осуществляется уплотнениями. Проходной канал поршня имеет прямоугольное сечение, в нем при помощи пальца установлен маятник. Верхний торец маятника выполнен в виде лопасти, нижний конец заодно с тарелкой. Замкнутые камеры, образованные перегородками и поршнями, соединяются с за-трубным пространством отверстиями, шток имеет канал. Вибратор устанавливается над долотом.
Вибратор работает следующим образом. При восстановлении циркуляции за счет давления жидкости шток занимает нижнее положение и за счет гидравлических сил маятник начинает совершать колебания вокруг оси. При создании нагрузки на долото шток занимает верхнее положение, при этом тарелка при качании маятника начинает периодически закрывать канал штока, при этом создается гидравлическая нагрузка на шток с частотой качания маятника, эта нагрузка усиливается за счет наличия поршней. Величина и частота динамической нагрузки, создаваемая штоком регулируется выбором длины маятника, диаметров каналов поршней и штока, площадей поршней и штока.
Вибрационное воздействие на долото повышает эффективность разрушения забоя. В результате повышается механическая скорость бурения по сравнению с обычным вращательным бурением.
Предложенный вибратор прошел лабораторные и промысловые испытания, где показал свою работоспособность и эффективность, благодаря чему механическая скорость проходки увеличилась на 30 %.
При бурении наклонных и горизонтальных участков скважины благодаря этому устройству увеличивается передача бурильной колонне осевых вибраций, в результате чего силы трения колонны о стенки скважины снижаются, колонна быстрее перемещается к забою и создается необходимая проектная величина осевой нагрузки на долото.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2239043 С1 RU, Е 21 В 7/24. Устройство для вибрационного бурения скважин/Габдрахимов Н.М., Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С. - № 2003135845/03; Заяв. 10.04.2003; Опубл. 27.10.2004, ил. 2., бюл. № 30
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С. - Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьском.
ТАТАРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ ОАО «ТАТНЕФТЬ.»
ЖИРКЕЕВ Совершенствование технологий и там- 25.00.17 к.т.н
Александр понажных составов для ремонтно-
Сергеевич изоляционных работ в скважинах
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАРАЕВ Разработка универсального программно- 05.13.01 к.т.н
Игорь го комплекса формирования тарифов на
Олегович природный газ региональной системы управления деятельностью газоснабжающих организаций
