CC BY
2УДК 622.24.053:004.4:004.94
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Плаксин М.Ю., студент, направление подготовки 18.03.02 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: plaksin5636@gmail.com
Научный руководитель: Колотвин А.В., кандидат технических наук, доцент кафедры механики материалов, конструкций и машин, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Аннотация. В статье разработана объемная модель на базе патента «Устройство для бурения с разновращающимися коронками» и оценка НДС состояния. Бурение с этим устройством на основе колтюбинга позволяет добиться сокращения времени при спуске и подъеме внутрискважинного оборудования на проектную глубину, и существенный экономический эффект в результате применения колонн гибких труб при проведении буровых работ.
Цель работы - выполнить сравнительный анализ программных комплексов, использующих метод конечных элементов, путем анализа вариантов моделирования и усовершенствования патента «Устройство для бурения с разновращающимися коронками». В работе были проведены численные расчеты в программных комплексах ANSYS, APM WinMachine и Solid Works, где были выполнены анализы полученных результатов.
Ключевые слова: колтюбинг, метод конечных элементов, программные комплексы, трёхмерное моделирование.
FEATURES OF MODELING DRILLING EQUIPMENT WELLS
Plaksin M.Yu., student, training direction 18.03.02 Energy and resource saving processes in chemical engineering, petrochemistry and biotechnology, Orenburg State University, Orenburg e-mail: plaksin5636@gmail.com
Scientific adviser: Kolotvin A.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Mechanics of Materials, Structures and Machines, Orenburg State University, Orenburg
Abstract. Development of a volumetric model based on the patent "Device for drilling with differently rotating crowns" and the assessment of the VAT status. Drilling with this device based on coiled tubing allows you to reduce the time during the descent and lifting of the downhole equipment to the design depth, and a significant economic effect as a result of the use of columns offlexible pipes during drilling opera-tions.
Objectives - to perform a comparative analysis of software systems using the finite element method, by analyzing the modeling options and improving the patent "A device for drilling with differently rotating crowns". In this work, numerical calculations were carried out in the ANSYS, APM WinMachine and SolidWorks software packages, where the obtained results were analyzed.
Keywords: coiled tubing, finite element method, software systems, three-dimensional modeling.
Использование колтюбинговых установок совместно с азотно-бустерным комплексом дает возможность не только проводить исследование скважин пенными системами, но и позволяет снизить уровень жидкости до необходимой глубины. Еще одной возможностью данной установки является способность продувать скважины газообразным азотом. Наиболее значительный эффект гибкие трубы дают при бурении. Именно это направление интенсивно развивается в настоящее время. Гибкие трубы позволяют проводить бурение на депрессии без глушения скважин и увеличить их дебит примерно на 400%.
В работе предлагается снимать крутящий момент со шланга за счет разделения площади раз-буривания на две части: круговую и кольцевую и разбуривать их в противоположных направлениях. Площади должны быть поделены в пропорции, уравнивающие реактивные моменты, возникающие при бурении. При условии равенства сил резания по всей поверхности забоя реактивные моменты на внутренних и наружных буровых. Так, при возрастании момента на круговой площади разбуривания нужно уменьшить ее площадь, урезая и полученный радиус, увеличивая кольцевую площадь бурения и наоборот. В работе применял-
ШАГ В НАУКУ
3, 2019
ся инженерный анализ методом конечных элементов МКЭ.
Расчетный анализ: CAE (англ. Computer-aid-edengineering) - название для комплекса программ и модулей, специализированных на решении всевозможных инженерных задач, в которые входят: расчёты значений, анализ и моделирование физических процессов. Вычислительный модуль комплексов реализован на основе численных методов решений дифференциальных уравнений.
Метод конечных элементов в сравнении с другими методами применяется в различных сферах, с целью разных типов осмотра. Основная же проблема МКЭ - создание сетки, особенно для объекта непростой геометрии. Формирование трехмерных сеток конечных элементов как правило предполагает собою кропотливый и тщательный процесс.
Программные комплексы
Формирование метода конечных элементов обуславливается связью 3-х факторов: присутствием высокопроизводительной вычислительной техники; исследованием математических моделей исследуемых явлений, адекватных настоящим процессам с необходимой степенью точности; отличительными чертами самого метода. Для МКЭ характерны особенности, которые следует учитывать при выборе и разработке программы расчета. Такими особенностями являются большие объемы исходных данных, промежуточных и окончательных результатов расчета. Поэтому расчет по МКЭ состоит из трех основных этапов: разработка расчетной конечно-элементной схемы и подготовка исходных данных, проверка самого расчета, обработка результатов расчета.
Расчеты по МКЭ были произведены в программе АСКОН КОМПАС-3D, затем полученные результаты были перенесены в три различных программы для получения экспериментальных значений.
КОМПАС-Ю - система трёхмерного моделирования, которую использует множество современных предприятий. Свою популярность программа получила благодаря понятному оформлению, позволяющему легко освоить программу и с легкостью научиться работать с ней. Еще одно главное преимущество данной системы состоит в мощных функциональных возможностях твердотельного и поверхностного моделирования. Главная же особенностью продукта заключается в использовании собственного математического ядра и параметрических технологий, разработанных специалистами АСКОН. Основные компоненты КОМПАС-Ю - собственно, система трёхмерного моделирования, универсальная система автоматизированного 2D-проектирования КОМПАС-График и модуль проектирования спецификаций и текстовый редактор.
APM WinMachine - CAE система автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций в области машиностроения, разработанная с учетом последних достижений в вычислительной математике, области численных методов и программирования, а также теоретических и экспериментальных инженерных решений. Эта система в полном объеме учитывает требования государственных стандартов и правил, относящихся как к оформлению конструкторской документации, так и к расчетным алгоритмам.
ANSYS - это программный пакет конечно-элементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности (прочность конструкций, термодинамика, механика жидкостей и газов, электромагнетизм), включая связанные многодисциплинарные задачи (термопрочность, магнитоупругость и т.п).
Solid Works 2015. Процесс построения 3D-^-дели основывается на создании объемных геометрических элементов и выполнения различных операций между ними. Подобно конструктору «LEGO» модель набирается из стандартных элементов (блоков) и может быть отредактирована путём добавления (удаления) этих элементов, либо путём изменения характерных параметров блоков.
В APM при расчете детали «Ротор турбобура» максимальная нагрузка составила 2054 МПа. В ANSYS при расчете статора максимальная нагрузка в той же локальной точке 10511 Мпа. Разница примерно в 4,5 раза. Полученные результаты не совпадают из-за сложности перевода отечественных марок сталей в зарубежную систему. Для экономии ресурсов ЭВМ было решено упростить конструкцию и рассчитывать ее отдельно от других деталей. Деталь закрепили сверху у основания и приложили ранее рассчитанную распределенную силу на одну сторону держателя режущих коронок, так как все нагрузки передаются с режущей коронки на держатель.
Сложности возникли с программой Ansys при выборе материала для сборки. Сложно подобрать характеристики Стали 50Х ГОСТ 4543-71 в программе Ansys, так как там нет ГОСТов. Из-за этого расчеты значительно различались. В программу SolidWorks из КОМПАС-3Б импортировать не составило особого труда. В программе SolidWorks нужны знания работы механизма, чтобы накладывать сопряжения для дальнейшей работы с функцией «Анализ движения». В связи с нехваткой расчетной мощности ЭВМ сделать исследование движение не предоставилось возможным, так как эта функция требует значительных ресурсов ЭВМ. Программные комплексы под базой Autodesk хорошо друг с другом комбинируются, что предоставляет возможность не только расчета или исследования движения, но также визуализации
и высокого качества анимации. Наиболее удобно и практично использовать программу АРМ, благодаря простоте интерфейса расчеты были произведены намного быстрее, чем в других расчетных приложениях. В результате проведенных расчетов программа SolidWorks 2015 показала самые низкие результаты, возможно это было вызвано простым неумением работать в данной программе, расчеты (проведенные при нагрузке на полную модель) име-
ли самые низкие расхождения с теоретическими, но при подобных вычислениях на частях модели возникли проблемы, в итоге в этой программе не было возможным дать точных выводов. При этом научившись работать в одной из представленных программ, не составляет большого труда научиться работать на других, правда, у каждой из них свои нюансы, которые и являются одной из особенностей моделирования.
Литература
1. Браун П. Т., Уимберли Р. Д. Установки для обслуживания скважин с использованием гибких колонн насосно - компрессорных труб // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. - 1993. - № 4. - С. 11-15.
2. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения // А. М. Борохов и др. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1966. - 312 с.
3. Гулизаде М. П., Мамедбеков О. К. Разработка забойных компоновок для стабилизации зенитного угла наклонных скважин // Изв. вузов. Сер. Нефть и газ. - Баку, 1985. - № 6. - С. 17-22.
4. Глумов В. М., Земляков С. Д., Рутковский В. Ю. Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами: некоторые результаты и направления развития // Автоматика и телемеханика. - 1999. - № 6. - С. 100-116.
5. Колотвин А. В., Пищухин А. М. О постановке и решении краевой задачи бурения скважины разно вращающимися буровыми коронками // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2015. -№ 9 (184). - С. 153-157.
6. Комплексы нового поколения типа КПРС для подземного ремонта нефтяных и газовых скважин с помощью гибких длинномерных без муфтовых стальных труб: Рекламный проспект. - М., 1998. - 362 с.
7. Гречин Е. Г., Овчинников В. П. Устойчивость не ориентируемых компоновок низа бурильной колонны // Нефтегазовое дело. - 2007. - № 1. - С. 13-15.
