Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

СООТНЕСЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Авторы:
Город:
Ухта
ВУЗ:
Дата:
16 октября 2017г.

Существует несколько физико-математических моделей описывающих поведение бурильной колонны в процессе проходки ствола скважины [1,2,3]. Теоретические предсказания, полученные с помощью этих моделей, подтверждены экспериментальными результатами. В работе [4] предложена двухмассовая модель бурильной колонны, которая требует экспериментальной оценки её адекватности, а также соотнесения с существующими теоретическими моделями. Экспериментальная оценка двухмассовой физико-математической модели проведена с помощью измерителя крутящего момента «ИКРУМ», на опытной скважине фирмы «ЭЛТЕХ» г. Усинска. Результаты, полученные в эксперименте, подтвердили пригодность двухмассовой модели для описания динамического поведения бурильной колонны в процессе проходки скважины [5]. Ниже на рис.1 представлен вид экрана измерителя «ИКРУМ».


На осциллограмме (рис. 1), снятой с помощью измерителя «ИКРУМ», приведено значение крутящего момента на двигателе привода бурового станка в реальном времени при частоте вращения бурильной колонны 80 об/мин, осевой нагрузке в 120 Кн и длине бурильной колонны 2000 м. Измеритель показывает постоянное во времени значение крутящего момента на валу двигателя привода, соответствующее 3650 Нм.

На осциллограмме (рис. 2) показана зависимость измеряемого значения мощности на электродвигателе привода бурового станка в реальном времени при этой осевой нагрузке 120 кН. Величина мощности с течением времени не меняется, что свидетельствует об отсутствии автоколебаний и соударений бурильной колонны, вызванных влиянием изгибных полуволн.


Согласно расчётным результатам, полученным с помощью физико-математической модели, описанной в работе [5], и представленным на диаграммах (рис. 3, рис. 4) устанавливаем, что бурение осуществляется в безвибрационной зоне, которой соответствует, точка А диаграммы. Суммарный момент сопротивления в этом случае по расчётам составляет 2100 Нм. На диаграммах (рис. 3, рис. 4) области равномерного безвибрационного вращения с отсутствием крутильных и продольных автоколебаний, выделены вертикальными столбцами голубого цвета. Столбчатым областям белого цвета соответствуют продольные автоколебания бурильной колонны.


На рис. 5 представлена осциллограмма измерения мощности двигателя привода при осевой нагрузке 180 кН. Частота колебаний мощности на двигателе привода, соответствует частоте жёстких биений, возникающих при автоколебательном режиме работы бурильной колонны.

Момент сопротивления вращению долота при длине колонны, равной H=2000 м, определяется по эмпирической формуле Соловьёва Е. М. [3]:


где MH – момент сопротивления вращению долота (момент нагрузки), Нм;

ωH – скорость вращения бурильной колонны при её длине равной Н, рад/с;

P0 – осевая нагрузка на долото, Н; δ0 = 1÷1,5 рад/с; A=0,4a0d 2; d – диаметр долота, м; B – эмпирическая

постоянная, изменяющаяся в зависимости от конструкции долота. В= 7,25 для трехшарошечного долота; a0 – эмпирический коэффициент, определяемый твёрдостью породы. a0 =1для мягких пород, 0,7÷0,8 для средних пород; 0,5÷0,6 для твёрдых пород.

Из формулы [1] при прямопропорциональной зависимости момента сопротивления от осевой нагрузки следует, что его значение увеличивается при увеличении нагрузки от 120 до 180 Кн до 3150 Нм. Сравнение с диаграммами на рисунках 4 и 5 подтверждает работу бурильной колонны в области установившихся крутильных колебаний, точка В.

Для убедительности полученных результатов рассчитаем резонансные частоты колебаний бурильной колонны, возникающие за счёт упругости её подвеса.

Для этого воспользуемся методикой, разработанной в Санкт-Петербургском горном университете

[1]. Резонансные частоты колебаний бурильной колонны имеют место при совпадении частот привода и частот её собственных колебаний (продольных и крутильных).

Продольные колебания имеют место при изменении осевой нагрузки на забой, при котором наблюдается смещение поперечных сечений колонны вдоль её продольной оси.

Частотное уравнение для этого случая имеет вид [1]:

где P – осевая нагрузка на забой, Н; g - ускорение силы тяжести, Н/кг; χ – скорость продольной волны в материале труб, м/с; ω – неизвестная циклическая частота собственных продольных колебаний бурильной колонны, рад/с; E – модуль Юнга трубной стали, Па; F – площадь поперечного сечения бурильной трубы, м2; H – длина бурильной колонны, м.

Для учёта крутильных колебаний бурильной колонны предлагается использовать другое частотное уравнение [1]:

где λ – скорость распространения поперечных колебаний в материале труб, м/с; μ – коэффициент Пуассона; D,d – соответственно  наружный и внутренний диаметр  труб бурильной колонны, м; ω* –  собственная частота крутильных колебаний в теле бурильной колонны, рад/с.

Графическое решение уравнений 2 и 3 для оценки резонансных частот опытного бурения на глубине 2000 м представлено на рис. 6 [7]. Резонансные частоты находятся под точками пересечения соответствующих прямых и тангенсоид.


Основной тон резонанса продольных колебаний при изменении осевой нагрузки от 100 кН до 180 кН, находится в интервале частот от 2,12 рад/с до 2,17 рад/с, что соответствует частотам вращения привода от 20,3 об/мин до 20,7 об/мин. Первому и второму обертону соответствуют интервалы частот вращения 61,2...62,7 об/мин, 102…104 об/мин.

Основной тон резонанса крутильных колебаний находится в интервале частот 1,22…1,29 рад/с, для чего необходимо вращение привода со скоростью 11,7…12,3 об/мин. Для первых трёх обертонов скорости вращения привода соответственно 36,0…37,6; 60,6…63,2; 86,0…88,8 об/мин. Бурение проводилось на частоте вращения привода 80 об/мин. Поэтому осциллограммы, снятые с помощью измерителя приращения крутящего момента «ИКРУМ» не отражают резонансных явлений.

Выводы.

1.       Двухмассовая физико-математическая модель бурильной колонны адекватно отражает её динамическое поведение в процессе проходки ствола скважины.

2.       Эксперимент подтверждает, что двухмассовая физико-математическая модель бурильной колонны находится в хорошем согласии с моделями её динамического поведения А. Е. Сарояна, Е. К. Юнина-В. К. Хегая, Л. К. Горшкова.

 

Список литературы

 

1. Горшков Л. К. Динамика низа бурильной колонны при глубоком бурении // Инженер-нефтяник. –2012. – №2. – С. 32– 35.

2. Сароян А. Е. Теория и практика работы бурильной колонны. – М.: Недра, 1990. – 263 с.

3. Юнин Е. К., Хегай В. К. Динамика глубокого бурения. – М.: Недра, 2004. – 286 с.

4. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Динамические свойства бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2014. – №8. – С.4 – 8.

5. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов Б. А., Перминов В. Б. Экспериментальная проверка основных теоретических положений динамики бурильной колонны // Инженер-нефтяник. – 2014. –№3. – С. 30 – 33.

6. Быков И. Ю., Заикин С. Ф., Перминов В. Б. Определение наброса момента сопротивления, действующего на бурильную колонну в оптимальных рабочих зонах параметров бурения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2014. – №4. – С. 33 – 40.

7. Быков И.Ю., Заикин С.Ф. К исследованию динамической устойчивости бурильной колонны в процессе бурения//Ресурсы Европейского Севера. Технологии и экономика освоения. – 2016. – №3.– С. 137 – 150.