04 марта 2016г.
При проектировании различных технических устройств часто возникает ситуация, когда условия работы данного устройства являются неопределенными. Обычно это обстоятельство в расчет не принимается, и в расчетную модель включают какие-то номинальные исходные данные. При этом велика вероятность того, что работа устройства не будет соответствовать результатам расчета. В расчетную модель может входить большое число факторов (неопределенных исходных данных), тогда оценить качество конструкции на стадии проектирования будет практически невозможно.
На первый взгляд ситуация кажется неразрешимой. Здесь предлагается метод, позволяющий прогнозировать работу конструкции, оценить ее качество, выбрать лучший вариант еще на расчетной стадии, несмотря на то, что некоторые факторы, влияющие на ее работу, в реальных условиях неизвестны, или определить их вообще невозможно.
Рассмотрим этот метод на примере проектирования компоновки низа бурильной колонны (КНБК), применяемой при бурении прямолинейно-наклонного участка скважины. Данная КНБК включает в себя долото (породоразрушающий инструмент), забойный двигатель, бурильные трубы и опорно-центрирующие элементы (ОЦЭ). Требуемая стабилизация зенитного угла осуществляется за счет установки на КНБК одного или нескольких ОЦЭ.
Ставится задача подобрать геометрические параметры КНБК, т.е. диаметры и расположение ОЦЭ, так, чтобы компоновка наилучшим образом удовлетворяла условию стабилизации зенитного угла скважины. Наиболее важными факторами (входными параметрами модели), влияющими на работу компоновки, являются: зенитный угол, диаметр скважины, диаметры ОЦЭ и их расположение. Выходной расчетной характеристикой является боковая реакция на долоте (Rd), от которой зависит процесс искривления скважины. В упрощенной постановке для стабилизации угла она должна быть равна нулю.
Традиционный подход к расчету состоит в том, что входные параметры принимаются постоянными: диаметр скважины равен диаметру долота; зенитный угол имеет постоянное значение; диаметры центраторов (ОЦЭ) не меняются. Сложность состоит в том, что эти величины в реальной скважине могут принимать совсем другие значения. Например, диаметр скважины не равен диаметру долота (обычно больше); в момент разрушения забоя он вообще не может быть определен никаким способом. Зенитный угол скважины может отличаться от расчетного значения, а центратор может изнашиваться и вдавливаться в стенку скважины.
Поскольку величины указанных параметров неизвестны, можно задавать им различные значения и путем многократных расчетов выявить, как они могут повлиять на величину Rd в реальной скважине. Количественной оценкой такого влияния является показатель устойчивости, впервые введенный специалистами ВНИИБТ [3], изучение которого в дальнейшем продолжено в работах [1, 2]. Показатель устойчивости можно выразить формулой
П(Фi) = ΔRd / ΔФi,
где Фi – фактор, по отношению к которому исследуется устойчивость компоновки; ΔRd – изменение расчетной величины реакции на долоте при изменении рассматриваемого фактора на величину ΔФi.
Наиболее важными показателями устойчивости являются:
П(α) – показатель устойчивости к изменению зенитного угла, кН/град; П(Dскв) – показатель устойчивости к изменению диаметра скважины, кН/м; П(Dс) – показатель устойчивости к изменению диаметра центратора, кН/м. Рассмотрим эти показатели подробнее.
Показатель устойчивости П(α). Как говорилось выше, реальное значение зенитного угла может отличаться от расчетной величины. При различных сочетаниях геометрических параметров КНБК можно получить зависимости Rd(α), резко отличающиеся между собой (Рисунок 1).
Расчетное значение зенитного угла составляет 30о. Если в скважине угол окажется
больше, на долоте появится отклоняющая сила, способствующая его падению и возвращению к расчетному значению.
Затем угол станет меньше расчетного, тогда реакция
будет направлена на рост зенитного угла, и траектория скважины примет вид, показанный на Рисунке 2, а. Такая компоновка является
устойчивой (маркер
в виде ромба).
В случае неустойчивой компоновки любое отличие зенитного
угла в скважине от расчетного значения (маркер в виде треугольника
на Рисунке 1) приведет к прогрессирующему
отклонению
оси скважины
от намеченной траектории
(Рисунке
2,
б),
и
такую компоновку следует исключить
из дальнейшего анализа. Пассивная компоновка характерна отсутствием влияния
зенитного угла на траекторию скважины (см. Рисунок 1). Показатель
устойчивости
к
изменению
диаметра
центратора
П(Dс). Его необходимо
рассматривать вследствие того, что радиальное расположение ОЦЭ в скважине по причине их износа или внедрения
лопастей в стенку скважины
неизвестно и не соответствует номинальным размерам центраторов, принятым в расчетной модели. Компоновки с различными геометрическими параметрами будут иметь разные величины показателей устойчивости П(Dс), после
исследования которых однозначно нужно выбрать
ту компоновку, которая
имеет меньшее значение
показателя П(Dс).
Такой же подход применяется при исследовании показателя устойчивости к изменению
диаметра скважины П(Dскв) – нужно выбрать компоновку с минимальным значением
данного показателя. В этом случае отпадает надобность знать реальный диаметр
скважины, так как он мало повлияет
на работу компоновки.
Если величины П(Фi) значимые, модель становится менее надежной, и выбирается
КНБК с
лучшим показателем. Очевидно,
компоновка, имеющая низкие
числовые значения
показателей устойчивости, и в реальной скважине
будет показывать более стабильные результаты. Таким
образом, показатели устойчивости могут служить для оценки качества компоновки на стадии
проектирования. Попытки определить требуемые параметры КНБК экспериментальным путем дороги и всегда безуспешны. Гораздо дешевле и проще выполнить ряд математических экспериментов, как это показано выше.
Анализа показателей устойчивости недостаточно для окончательного выбора компоновки. Предлагаемый подход к проектированию компоновок основан на применении системы их расчѐтных
характеристик, в которую кроме показателей устойчивости входят дополнительные характеристики. Ими являются выходные расчѐтные величины: реакции на долоте и центраторах, прогиб компоновки, углы поворота
еѐ сечений и др.
Выбор компоновки осуществляется на стадии проектирования, на основе сравнения количественных показателей
всех расчетных характеристик, определенных в данном конкретном
случае как приоритетные. Например, нельзя рекомендовать компоновку, обеспечивающую в расчетном режиме идеальную
стабилизацию зенитного
угла при любом его значении, если еѐ работа резко изменится при малейшем износе центратора или увеличении диаметра
скважины.
Другой пример.
Компоновка содержит два центратора. Выполнен обширный
анализ показателей устойчивости компоновок с различными геометрическими параметрами и рекомендован к применению наилучший вариант.
Но он может быть отвергнут
по той причине,
что не проведено исследование величины прогиба компоновки между центраторами (выходная
расчетная характеристика). Может оказаться, что она больше величины зазора между забойным
двигателем и стенкой
скважины. Тогда появится дополнительная опора, следствием чего может быть падение зенитного
угла вместо его стабилизации.
Важно отметить, что изложенный подход к проектированию можно применить
не только к компоновкам бурильной колонны,
но и ко многим
другим техническим устройствам, если есть неопределенность исходных расчетных данных.
Список литературы
1. Гречин Е.Г. Теория
и практика работы
неориентируемых компоновок низа бурильной
колонны: / Е.Г. Гречин, В.П. Овчинников, А.В. Будько. –
Тюмень: Нефтегазовый университет, 2008. – 176 с.
2. Гречин Е.Г. Проектирование компоновок низа бурильной колонны:
Монография / Е.Г. Гречин, В.П. Овчинников, А.В. Будько, П.В. Овчинников, Д.Г. Бельский. – М: ООО
«Газпром экспо»,
2012. – 222 с.
3. Оганов А.С. Новые решения
в проектировании компоновок
низа бурильной колонны / А.С. Оганов,
А.С. Повалихин,
З.Ш. Бадреев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 1995.
– № 4/5. – С. 11, 12,16.
