Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ колебаний бурильной колонны и применения амортизирующих устройств

Большой прогресс в увеличении скорости бурения скважин принесло применение алмазных долот, относящихся к инструменту режуще-скалывающего действия.

Однако при этом нужно учитывать некоторые сложности. Так увеличение требуемого крутящего момента приводит к увеличению нагрузок на элементы компоновки низа бурильной колонны и появление дополнительных типов вибрации. Это и стало началом развития оборудования, имеющего виброзащитный характер, и в дополнение устройств, регистрирующих колебания [1-3].

буровой оборудование вибрация

Было разработано большое количество амортизирующих устройств, работающих на снижение не только осевых колебаний, но и торсионных с поперечными. Для создания конструкции, одинаково воспринимающей все типы колебаний необходимо помнить, что у каждого типа колебаний своя природа возникновения. Непростые условия современной углеводородной торговли требуют применения максимально эффективных и финансово выгодных решений для добычи газа и нефти. Буровые организации и их подрядчики пытаются максимально сократить непродуктивное время, применяя новое высококачественное оборудование. Однако остается много споров, которые не позволяют сделать очередной прогрессирующий рывок вперед. Одной из таких проблем является отрицательное воздействие на буровое оборудование вибраций, которые возникают в процессе разрушения породы. Современные исследователи различают три основных вида колебаний бурильной колонный: осевые, крутильные (скручивающие) и поперечные. Ввиду того, что каждый тип имеет различную природу происхождения, описывается определенный набор характерных признаков.

Благодаря этому, с устья есть возможность своевременного определения процесса, который происходит на забое. Если нет совместного проявления нескольких видов вибраций, то нужно определить какие меры нужно предпринять, чтобы избежать аварий.

Рисунок 2 - Многоугольное сечение скважины, образованное завихрением долота

В силу этого неизбежна сложность определения действий для получения положительных результатов.

Осевые колебания

Природа данных колебаний бурильной колонны изучается инженерами большое количество времени. Известно, что такой тип вибраций возникает при перемежающихся разбуриваемых пластах, имеющих противоположные свойства, а также при наличии твердых включений. На рисунке 1 видно, что направление колебаний совпадает с осью скважины. При увеличении амплитуды колебаний долото начинает подпрыгивать, теряя контакт с забоем. Это характерно для бурения, где используются шарошечные долота. Вследствие этого возникает дополнительная энергия, способствующая разрушению горной породы, но, в то же время, негативно действующая на само долото. Это может привести к слому и преждевременному износу вооружения долота, повреждению уплотнений, разгерметизации и разрушению опор и, как следствие, к снижению механической скорости проходки [4]. Поэтому необходимо вовремя дать оценку какие вибрации возникают и как предупредить их негативное воздействие и. Как правило, для этого используют акселерометры, которые являются неотъемлемой частью телесистемы, и способны производить замеры сразу в нескольких направлениях. Данные передаются по линии связи на устье и читаются службой телеметрии, она, в свою очередь, сообщает буровой бригаде о необходимости корректирующих мер. При бурении на малых глубинах осевые вибрации могут доходить до устья скважины, на основании этого можно сделать вывод о нестабильности процесса бурения

Осевые колебания имеют небольшой диапазон частот 1-10 ГЦ и гасятся самой бурильной колонной. На скорость затухания колебаний напрямую влияет жесткость компоновки и её вес. Эти показатели достигаются за счет увеличения сила УБТ. Однако бездумное увеличение веса колонны без изменения параметров бурения может привести к возрастанию ударного импульса и повреждению элементов КНБК. Поэтому при возникновении осевых колебаний большой амплитуды следует увеличить нагрузку и уменьшить скорость вращения долота. Будет верным применять долота с низким реактивным моментом. В настоящее время большую популярность имеет использование различных амортизаторов, демпферов и других устройств для гашения вибраций, призванных увеличить ресурс породоразрушающих инструментов и сопутствующих устройств.

Крутильные колебания

Крутильная или торсионная вибрация проявляется скачкообразные движения бурильной колонны, которые вызваны резкими ускорениями и замедлениями при ее вращении. При вращении долото приостанавливается (десятые доли секунды) с одинаковой периодичностью, что увеличивает крутящий момент и ведет к закручиванию колонны. При превышении момента скручивания над моментами сопротивления срезания горной породы и момента сил трения о периферийную часть скважины происходит резкое ускорение долота - проскальзывание, когда его угловая скорость резко возрастает (в несколько раз). Длительность такого процесса может достигать нескольких минут, а максимальная интенсивность колебаний проявляется в нижней части бурильной колонны. Наиболее часто крутильная вибрация проявляется при бурении долотами типа PDC, причем в некоторых случаях, процесс сопровождается поперечными колебаниями забойного оборудования. Данные колебания имеют низкие частоты (до 1 Гц) и могут привести к куда более серьезным последствиям, чем осевые колебания. к основным поломкам можно отнести: слом вооружения долота, особенно в зоне, образующей диаметр стенок скважины; усталостный износ резьбовых соединений по причине их перетяжки повышенным моментом и появляется вероятность отворота и оставление оборудования в скважине. Уменьшение затрат времени на бурение интервала, за счет выбора долот с большой агрессивностью, зачастую нарушает баланс между появляющимся от горной породы реактивным моментом и жесткостью колонны, что в свою очередь ведет к нарушению стабильности бурения и возникновению закручивающих колебаний. То же самое происходит и при неверно подобранном режиме работы, когда при слишком большой нагрузке и малой скорости вращения вооружение долота сильно заглубляется в породу за один оборот. нужно знать, что вероятность появления крутильных вибраций увеличивается с ростом глубины и интенсивности набора зенитного угла скважины и при наличии твердых включений. К основным признакам появления торсионных вибраций можно отнести значительное понижение механической скорости проходки до 30-40% а также если отмечается изменение крутящего момента и угловой скорости порядка 20 процентов периодическое изменение скорости вращения и крутящего момента на 20-25%. Гашение торсионных вибраций также возможно за счет увеличения веса колонны инструмента, находящегося над долотом, и общим сопротивлением трения периферии скважины. Однако, в отличие от осевого направления, жесткость колонны в тангенциальном направлении недостаточна для полного гашения колебаний, несмотря на введение в ее нижнюю часть множества УБТ, калибраторов и центраторов. Поэтому также, как и в случае с осевой вибрацией основным способом для устранения крутильных колебаний является изменение параметров режима бурении. Для этого ограничивают нагрузку на долото и увеличивают скорость вращения. Возможно также включение в КНБК забойных двигателей с большой частотой вращения и амортизирующих устройств, работающих в тангенциальном направлении.

Целью применения демпферов становится снижение тангенциальной ударной нагрузки на вооружение долота. В большей степени это выгодно при бурении на большие глубины, когда ресурс породоразрушающего инструмента важнее механической скорости проходки. Также большое значение уделяется моментальной очистке забоя и уменьшению силы трения о стенки скважины. Достигается применением смазочных добавок и повышенным расходом бурового раствора.

Поперечные колебания

Данный тип вибрации описывается маятниковым движением в поперечном направлении. Больше половины отказов и аварий возникают вследствие этих колебаний. В результате поперечного движения бурильной колонны и породоразрущающего инструмента возникает изгиб и завихрение. Под завихрением понимается самоподдерживающееся эксцентричное вращение инструмента вокруг точки, не являющейся центром тела инструмента. При этом происходит спиралеобразное увеличение диаметра ствола скважины. Различают завихрение долота, которое имеет частоту колебаний 5-100Гц и завихрение КНБК, имеющие частоту колебаний 5-20 Гц соответственно. Завихрение одного элемента может порождать завихрение другого и наоборот, при этом может сопровождаться скручивающей вибрацией с высокой частотой. Завихрения компоновки бывают прямого направления, хаотичного и обратного. Под хаотичным понимают постоянно изменяющееся направление вращения. Также причиной нередко является применение двигателей с большим углом перекоса и долот с большой зарезной способностью. При наличии таких колебаний резцы долот PDC подвергаются многократным ударным нагрузкам ввиду того, что лопасти, поочередно касаясь стенок скважины, становятся мгновенным центром вращения долота и формируют в сечении скважины многоугольник (рисунок 2). Данный многоугольник в сечении имеет число вершин на одну больше чем лопастей у долота. Активные режущие элементы обычно на этой части долота отсутствуют. При бурении такой породоразрушающий инструмент постоянно контактирует с переферией скважины своей «неагрессивной» частью лопасти, тем самым, исключается возможность образования завихрений. Для повышения жесткости колонны, чтобы уменьшить эксцентриситет при вращении колонны, в компоновку включаются наддолотные калибраторы.

Рисунок 3 - Схема поддержания стабильного режима бурения

Низкие фрикционные свойства бурового раствора, наличие трения со стенками скважины, а также плохая способность смазывания могут являться причиной появления несоосного вращения компоновки низа бурильной колонны. Такое воздействие со временем может привести к поломке забойных устройств, в частности это относится к гидравлическим двигателям. От того как направлено завихрение зависит какие порядок и тип корректировки будут использоваться.

Следует помнить, что нужно остановить вращение и приподнять долото над забоем, прежде чем переходить из вибрационного режима в зону бурения со стабильными параметрами. Это нужно для того, чтобы предотвратить появление комплексного колебательного движения. При крутильных колебаниях и поперечной вибрации нельзя обойтись только применением амортизирующего оборудования. Для уменьшения их отрицательного воздействия полезным будет использование дополнительных устройств, таких как шарошечный расширитель, центратор и др.

Опираясь на вышеизложенное, можно сделать вывод, что использование амортизирующего оборудования высокоэффективно при любых видах колебаний компоновки. На рынке предложено большое разнообразие конструкций, и бывает сложно сделать правильный выбор. Чтобы определить то или иное устройство подходит в данной ситуации нужно попробовать несколько из них. Так зарекомендовавшая себя конструкция на одном месторождении не может гарантировать высоких результатов при бурении соседней скважины. Для этого нужно учесть аспекты конструкции следующей скважины перед тем как начинать работу.

В процессе написания статьи было отмечено, что правильно подобранная жесткость конструкции амортизирующих устройств и их масса залог успешности применения всей защитной системы, для этого при проектировании и подборе амортизатора необходимо знать свойства горных пород и условия его применения. Важно исключить поглощение амортизатором осевых колебаний низкой частоты, которые нужны для разбиения пород. Высокочастотные же вибрации должны эффективно гаситься. На эффективность работы при этом динамические импульсы влиять не должны.

Конструкционно амортизирующие устройства можно разделить по типу упругих элементов. Например, демпферы, с упругими элементами высоко амортизирующих характеристик типа пружин: тарельчатые, винтовые, конические. Также популярностью пользуются наполнители резиновых, полиуретановых смесей. В их основе лежит сочетание элементов с различающимися характеристиками восприятия нагрузок, за счет разной скорости распространения упругих волн. Существуют конструкции, где рабочая полость наполняется вязкими жидкостями, например, маслом, либо сжатым газом.

Амортизирующие устройства также разделяют для ударного бурения, вращательного и ударно-вращательного [5]. Соответственно выбирается основной параметр-вид гасимых колебаний (поперечные, осевые, крутильные)

Кроме гашения колебаний к функциям амортизирующих устройств можно отнести:

поддержание оптимального режима бурения, снижение негативного влияния трения типа бурильная колонна-стенки скважины; также могут выступать в роли предохранительных устройств в непредвиденных ситуациях: осложнениях, авариях и др.

Выводы

1. Три основных типа типа нагрузок на бурильную колонну: осевые, поперечные, крутильные. Влияние данных вибраций ведет к уменьшению ресурса породоразрушающего инструмента и снижению технико-экономических показателей постройки скважин.

2. Самым результативным методом борьбы с колебаниями является использование буровых амортизирующих устройств. Использование винтовых и тарельчатых пружин, резиновых упругих элементов более эффективно для гашения осевых и крутильных колебаний. Применение амортизаторов с калибраторами, расширителями и центраторами эффективно при поперечных вибрациях.

Список литературы

1. Габдрахимов М.С., Султанов Б.З. Динамические гасители колебаний бурильного инструмента. М.: ВНИИОЭНГ, 1991. 60 с.

2. Бурение скважин с использованием наддолотных многоступенчатых виброгасителей / М.С. Габдрахимов, А.С. Галеев, Б.З. Султанов и др. // Нефтяное хозяйство.1990. №4. С.24-25.

3. О необходимости учета вибрации при конструировании элементов бурильной колонны / М.Ф. Заляев, В.У. Ямалиев, Е.М. Абуталипова, А.Н. Авренюк // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. №9. С.45-48.

4. Фарукшин А.Н., Ганиев Р.Г. Некоторые проблемы бурения горизонтальных скважин в условиях Западной Сибири. Материалы 48-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых цченых, 1997. С.18-19.

5. Имаева Э.Ш. Определение параметров амортизатора для бурильной колонны при воздействии случайных колебаний: учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. 82 с.

Размещено на Allbest.ru