Особенности рабочего процесса и характеристики винтовых забойных двигателей в режиме вращения бурильной колонны

Развитие технологий бурения нефтяных и газовых скважин с использованием винтовых забойных двигателей. Совершенствование бурового инструмента и оборудования (долота, трубы). Применение комбинированного способа бурения с постоянным вращением колонны труб.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 26.01.2020
Размер файла 143,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности рабочего процесса и характеристики винтовых забойных двигателей в режиме вращения бурильной колонны

Одним из направлений повышения эффективности строительства нефтяных и газовых скважин является выбор оптимальных способов бурения с учетом горнотехнических условий и конструктивных особенностей применяемого забойного оборудования. При бурении с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) высокие технико-экономические показатели, как показывает отечественный и зарубежный опыт, могут быть достигнуты сочетанием режимов бурения, как в случае неподвижной бурильной колонны, так и при комбинированном способе с вращением труб. Вместе с тем, теория рабочего процесса ВЗД для комбинированного способа бурения и сравнение характеристик забойных компоновок для этих двух технологий до настоящего времени рассмотрены недостаточно полно, что во многом ограничивает возможности буровиков при назначении режимных параметров и разработчиков при проектировании двигателей для различных условий бурения.

One of the oil and gas well construction efficiency improvement areas is selection of optimized drilling methods taking into account mining conditions and design features of applied downhole equipment. In positive displacement motor (PDM) applications, as domestic and foreign experience shows, high technical and economic performance can be achieved by combining drilling modes, both in case of a stationary drill string and in case of combined drilling with drill string rotation. At the same time, the PDM operation process theory for combined drilling and BHA comparison for these two technologies have been understudied and this fact considerably limits the capabilities of drillers in setting mode parameters and developers in designing motors for various drilling conditions.

Развитие технологий бурения нефтяных и газовых скважин с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) [1] и совершенствование бурового инструмента и оборудования (долота, трубы, системы верхнего привода) предопределяет все большее применение комбинированного способа бурения с постоянным вращением колонны труб, осуществляемым с поверхности при помощи регулируемого верхнего привода.

Так, при строительстве наклонно-направленных скважин с использованием ВЗД и долот типа PDC нефтяные компании повсеместно применяют сейчас технологию бурения интервалов под эксплуатационную колонну с вращением бурильных труб с частотой 40--100 об/мин.

По сравнению с традиционной технологией бурения забойным двигателем при неподвижной бурильной колонне (режим скольжения) комбинированный способ проводки скважин обеспечивает: увеличение мощности, подводимой к долоту; повышение механической скорости бурения; улучшение качества очистки скважины от выбуренной породы; стабилизацию траектории ствола скважины без смены компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК); снижение вероятности возникновения прихвата элементов КНБК и предотвращение условий статического трения; доведение осевой нагрузки до породообразующего инструмента при больших отклонениях забоя.

По сравнению с традиционной технологией бурения забойным двигателем при неподвижной бурильной колонне (режим скольжения) комбинированный способ проводки скважин обеспечивает: увеличение мощности, подводимой к долоту; повышение механической скорости бурения; улучшение качества очистки скважины от выбуренной породы; стабилизацию траектории ствола скважины без смены компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК); снижение вероятности возникновения прихвата элементов КНБК и предотвращение условий статического трения; доведение осевой нагрузки до породообразующего инструмента при больших отклонениях забоя.

бурение скважина винтовой забойный

Начало полномасштабного применения комбинированного способа бурения с использованием ВЗД с многозаходными рабочими органами следует вести с 1980-хгг., когда фирма Drilex, используя лицензионные советские двигатели диаметром 172 и 240 мм, получила рекордные по тем временам показатели отработки долот при проводке скважин в Северном море [2]. В дальнейшем на Западе, а потом и в России такая технология бурения получила широкое распространение при строительстве вертикальных и наклонно-направленных скважин и была взята на вооружение ведущими буровыми компаниями.

В общем случае можно выделить два основных направления, где переход к комбинированному способу бурения ВЗД обеспечивает наибольшую эффективность:

- бурение наклонно-направленных скважин, когда одной из проблем является сложность доведения и поддержания заданной нагрузки на долото;

- бурение с использованием долот типа PDC, когда для достижения возможных показателей отработки необходима увеличенная частота вращения, которую не представляется возможным реализовать отдельно ни при роторном способе, ни при режиме скольжения ВЗД.

Рабочий процесс ВЗД и характеристики системы в случае постоянного вращения бурильной колонны имеют особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимных параметров и управлении процессом бурения с использованием различных типов долот и забойных двигателей.
Однако при всей актуальности и практической важности этой технологии бурения в научно-технической литературе и справочных материалах фирм-производителей до настоящего времени не представлено теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса системы «вращающаяся бурильная колонна--ВЗД--долото», которые могли бы стать основой для расчета винтового героторного механизма (ВГМ) с подвижным статором и повышения эффективности комбинированного способа бурения в различных условиях проводки скважин.

Рабочий процесс ВЗД и характеристики системы в случае постоянного вращения бурильной колонны имеют особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимных параметров и управлении процессом бурения с использованием различных типов долот и забойных двигателей.

Известная предложенная модель рассматриваемой системы [3], несмотря на обоснованную постановку задачи и некоторые важные полученные выводы относительно эффективности процесса бурения при вращении забойного двигателя, не совсем точно отражает особенности рабочего процесса ВЗД при построении характеристик системы (поскольку тормозной момент принимается зависимым от частоты вращения колонны), что снижает значимость полученных результатов и требует уточнения основных допущений и расчетных схем.

В данной статье исследуются кинематика и характеристики ВЗД для случая вращения статора рабочих органов, что соответствует кинематическим условиям работы двигателя при комбинированном способе бурения скважин.

Для кинематической схемы ВГМ с вращающимся статором и планетарно движущимся ротором (рис. 1) суммарная абсолютная угловая скорость выходного вала

(1)

где щ* - угловая скорость ротора относительно статора, пропорциональная расходу жидкости через двигатель и не зависящая от подвижности корпуса; щ1 - угловая скорость статора (бурильной колонны).
Скорость переносного движения ротора по отношению к неподвижной системе координат характеризуется угловой скоростью центра ротора Щ относительно центра статора (смещенных на расстояние эксцентриситета е) и определяется из формулы Виллиса для дифференциального механизма с двумя степенями свободы при разнице в числах зубьев статора (z1) и ротора (z2) равной единице:

, (2)

где щ2 = щ.

Скорость переносного движения ротора в большинстве случаев направлена против угловой скорости вала и только при условии, которое может соблюдаться для низкооборотных малозаходных ВЗД (когда щ1> z2 щ*), направления векторов щ и Щ будут совпадать.

При щ1=z2 щ* ВГМ превращается в бироторный механизм с неподвижными осями и шарнирной связью вращающихся ротора и выходного вала.

В частном случае ВЗД с закрепленным статором угловые скорости ротора в переносном и абсолютном движении отличаются в z2 раза [1]:

. (2а)

Переносная скорость центра ротора определяет нормальное ускорение an= eЩ2 и центробежную силу инерции Fин.n= m2an ротора, а также тангенциальное ускорение aф=e*dЩ/dt при неравномерном вращении ротора. При прочих равных условиях переносная скорость ротора возрастает с увеличением числа заходов z2, что увеличивает вибрацию и ограничивает быстроходность многозаходных двигателей.

Из формулы (2) следует, что в случае одинакового направления угловых скоростей щ* и щ1 угловая скорость переносного движения центра ротора снижается по сравнению с типовой схемой планетарного механизма с неподвижным статором. Вращение статора способствует в некоторой степени снижению отрицательного влияния инерционной силы на роторе и тем самым позволяет повысить допустимую быстроходность винтовой пары.

В качестве примера рассмотрим кинематику двигателя в рабочем режиме, когда относительная скорость ротора и скорость статора равны (щ*=щ1). В этом случае

(3)

Следовательно, по сравнению с кинематическим режимом ВГМ с неподвижным статором угловая скорость переносного движения при использовании винтовой пары с заходностью 5:6 уменьшится на 20 %.

Чем меньше заходность рабочих органов, тем больше будет влияние вращения статора на скорость переносного движения.

В предельном режиме работы при заторможенном положении выходного вала (долота на забое) и вращающемся от бурильных труб статоре (щ=0; щ1?0) ВГМ меняет свою кинематическую схему от варианта I к варианту II [1], переходя в насосный режим. При этом невращающийся ротор, шарнирно связанный с выходным валом, совершает переносное движение вокруг оси статора в том же направлении, а сечение ротора совершает поступательное криволинейное движение:

(4)

Переход ВГМ в насосный режим сопровождается скачкообразным изменением крутящего момента и перепада давления и распространением по бурильным трубам и столбу жидкости волн кручения, продольных деформаций и гидравлических ударов. Такие динамические процессы представляют опасность для двигателя и всей забойной компоновки и поэтому при управлении режимом бурения ВЗД необходимо предпринять все меры для предотвращения остановки двигателя при вращении колонны.

Суммарная мощность на долоте, затрачиваемая на разрушение забоя, складывается из мощности гидравлического двигателя и мощности, передаваемой бурильной колонной от верхнего привода:

(5)

Принципиальной особенностью характеристик забойной компоновки при комбинированном способе бурения является независимость перепада давления Р и крутящего момента М, развиваемого объемным двигателем, от частоты вращения колонны, поэтому суммарная характеристика ВЗД при вращении его статора приобретает вид, изображенный на рис. 2. Точка А, соответствующая тормозному моменту двигателя, определяет начальные условия рассмотренного выше перехода винтовой пары в насосный режим.

В случае, если рассматривать равномерное вращение колонны (щ1=const), то при изменении крутящего момента (нагрузки на долото) график суммарной мощности, реализуемой на долоте (рис. 3), подобно графику мощности ВЗД (согласно его характеристике при заданном расходе жидкости Q), будет иметь максимум, смещенный в сторону тормозного момента ВЗД.

Если аппроксимировать линию механической характеристики ВЗД щ*-М в виде степенной функции [1], тогда суммарная мощность (5) выражается как

(5а)

где б - показатель нелинейности механической характеристики; щх - угловая скорость холостого хода ВЗД (относительно статора); Мт - тормозной момент при данном расходе жидкости.

В крайних точках рабочего диапазона, соответствующих холостому и тормозному режимам ВЗД, суммарная мощность составляет:

при М=0 N=0;

при М=Мт N=Мтщ1 (=5 в относительных единицах на рис. 3).

При исследовании характеристики суммарной мощности, реализуемой на долоте, целесообразно вести построение линии N-M в виде (5а) для различных соотношений угловой скорости бурильной колонны и угловой скорости холостого режима вращения ВЗД (щ1/щх), поскольку величина щх, зависящая от рабочего объема ВЗД и расхода жидкости, является одним из параметров характеристики двигателя и достаточно точно определяется при его тестировании на устье скважины.

Коэффициент увеличения мощности, подводимой к долоту при вращении бурильной колонны,

(6)

зависит от соотношения угловых скоростей щ1/щ* или щ1/щх и объемного КПД двигателя (зо):

Ниже приведены численные значения коэффициента увеличения мощности при различных отношениях угловых скоростей системы:

Таким образом, если бурильная колонна и ротор внутри статора ВЗД вращаются с одинаковыми скоростями, мощность на долоте увеличивается в два раза по сравнению с типовым случаем бурения в режиме скольжения колонны.

Рациональные значения момента и мощности привода долота, а также соотношение частот вращения бурильной колонны и вала двигателя (щ1/щ*) зависят от горно-геологических условий бурения, типоразмера породоразрушающего инструмента, допускаемого перепада давления ВЗД и диапазона устойчивой работы двигателя на забое скважины [1, 4].

Если, основываясь на опыте бурения скважин с использованием ВЗД, ориентировочно принять, что диапазон устойчивой работы ВЗД составляет половину от тормозного момента двигателя (М/Mт=0,5) при заданном расходе жидкости (т.е. находится левее точки =5 на характеристике рис. 3, примерно соответствующей оптимальному режиму ВЗД), то максимальная мощность, которую практически можно передать долоту в процессе комбинированного способа бурения, будет составлять

(7)

Для рассматриваемой характеристики системы (рис.3), построенной при щ1/щх=0,5 и б=2, мощность, реализуемая на долоте в режиме М/Mт=0,5 (зо=75 %), возрастает в 1,67 раза (6,2 против 3,7 в относительных единицах), но будет меньше максимальной мощности, развиваемой системой в заданных условиях и равной =7.

Другими факторами выбора рационального соотношения щ1/щ* при проектировании режимов бурения могут являться:

- частотная отстройка системы, основанная на оптимизации колебательных процессов (подавления резонансных явлений путем оптимального сочетания частоты вращения колонны и расхода бурового раствора), при которой достигаются максимальные показатели отработки шарошечных долот в заданных условиях бурения [5];

- предотвращение возникновения эффекта типа Stick-Slip при бурении долотами PDC как одной из задач численного моделирования системы при совместном рассмотрении продольных и крутильных колебаний бурильной колонны с учетом волновых процессов в протяженной гидравлической линии бурильных труб и затрубного пространства [6] с целью обеспечения режимов бурения с равномерным вращением долота на забое;

- угол перекоса силовой и шпиндельной секций двигателя для наклонно направленного бурения [1], ограничивающий допускаемую частоту вращения колонны труб, исходя из условий прочности забойной компоновки на прямолинейных и искривленных участках профиля.

Представленный материал может служить основой для дальнейших экспериментальных исследований рабочего процесса ВЗД при вращении бурильной колонны, обоснования выбора сочетаний между частотами вращения бурильных труб, геометрическими параметрами (кинематическое отношение, рабочий объем, число шагов) и основными техническими показателями (частота вращения и крутящий момент в рабочем режиме) ВЗД для различных условий бурения, а также оптимизации динамических режимов работы системы в отношении устойчивости и колебаний.

Литература

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины (в двух томах). М.: ИРЦ «Газпром», 2005-2007.

2. Вадецкий Ю.В., Балденко Д.Ф. Достижения в области разработки винтовых забойных двигателей для нефтегазовой промышленности в одиннадцатой пятилетке и задачи на двенадцатую пятилетку. М.: ВНИИОЭНГ, 1986.

3. Будянский В.С. Вращение забойного двигателя - фактор повышения эффективности бурения скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2014. № 11.

4. Морозов В.А., Двойников М.В. Обоснование выбора параметров режима направленного бурения скважин винтовыми забойными двигателями // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2019. № 2.

5. Гнибидин В.Н., Ткаченко В.И. Повышение эффективности процесса бурения винтовыми забойными двигателями // Научные достижения и передовой опыт в бурении. 1991. № 10.

6. Tikhonov V.S., Baldenko F.D., Bukashkina O.S., Liapidevskii V.Y.. Effect of Hydrodynamics on Axial and Torsional Oscillations of a Drillstring with using a Positive Displacement Motor. International Journal of petroleum Science and Engineering, September 2019.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Комплекс оборудования для вращения бурильной колонны - роторы, вертлюги. Конструкция и область применения забойных двигателей: трубобуры, электробуры, винтовые двигатели. Основные методы повышения нефтеотдачи пластов. Зарезка и бурение второго ствола.

    отчет по практике [2,6 M], добавлен 01.02.2013

  • Исследование схемы стандартной буровой установки. Описание оборудования, предназначенного для подъема и спуска бурильной колонны и обсадных труб в скважину, удержания колонны на весу во время бурения. Разрушение горной породы. Вынос породы из скважины.

    лекция [201,3 K], добавлен 28.11.2014

  • Схема установки для бурения глубоких скважин. Устройство бурового станка для разведки и разработки месторождений нефтепродуктов. Применение гидравлических и электрических забойных двигателей. Ремонт автоматизированной групповой замерной установки.

    отчет по практике [1,1 M], добавлен 16.10.2012

  • Общая характеристика компоновки бурильной колонны, ее назначение и устройство основных и вспомогательных элементов. Условия работы колонны бурильных труб. Особенности комплектования бурильных труб и их эксплуатации. Специфика ремонта бурового инструмента.

    курсовая работа [426,3 K], добавлен 26.06.2013

  • Технология бурения нефтяных и газовых скважин. Закономерности разрушения горных пород. Буровые долота. Бурильная колонна, ее элементы. Промывка скважины. Турбинные и винтовые забойные двигатели. Особенности бурения скважин при равновесии "скважина-пласт".

    презентация [1,5 M], добавлен 18.10.2016

  • Строение горных пород, деформационное поведение в различных напряженных состояниях; физические аспекты разрушения при бурении нефтяных и газовых скважин: действие статических и динамических нагрузок, влияние забойных условий, параметров режима бурения.

    учебное пособие [10,3 M], добавлен 20.01.2011

  • Изучение технологических процессов бурения нефтяных и газовых скважин на примере НГДУ "Альметьевнефть". Геолого-физическая характеристика объектов, разработка нефтяных месторождений. Методы увеличения производительности скважин. Техника безопасности.

    отчет по практике [2,0 M], добавлен 20.03.2012

  • Описание ударного и вращательного бурения. Назначение и состав бурильной колонны. Технологические требования и ограничения к свойствам буровых растворов. Влияние разных типов долот на качество цементирования скважин. Особенности применения буровых долот.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 19.09.2010

  • Классификация буровых установок для глубокого бурения. Основные блоки и агрегаты их взаимодействия. Факторы для обоснования конструкции скважины. Способы бурения, их характеристика. Цикл строительства скважины, монтаж и демонтаж бурового оборудования.

    отчет по практике [2,0 M], добавлен 05.05.2014

  • Методы кривления стволов скважин. Характеристика компоновок низа бурильной колонны, применяемых для гидромонирторного и роторного направленного бурения. Прогнозирование поведения КНБК. Влияние геологических факторов на траекторию ствола скважины.

    презентация [722,8 K], добавлен 20.09.2015

  • Исследование основных способов бурения нефтяных и газовых скважин: роторного, гидравлическими забойными двигателями и бурения электробурами. Характеристика причин и последствий искривления вертикальных скважин, естественного искривления оси скважин.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 15.09.2011

  • Выбор способа бурения и построения конструкции скважины. Проверочный расчет буровой вышки. Технология погружения обсадной колонны, отбора керна, вращательного бурения. Составление геологического наряда. Организация морского бурения, ликвидационные работы.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 14.06.2014

  • Характеристика литолого-стратиграфического разреза месторождения. Водоносность и нефтегазоносность пластов. Возможные осложнения при бурении скважин. Расчет глубины забоя, обсадных, эксплуатационной и бурильной колонны. Выбор способа и режимов бурения.

    курсовая работа [172,9 K], добавлен 20.11.2015

  • Правила выбора места заложения скважины. Расчет режимов бурения. Требования к качеству воды. Обоснование компоновок бурового снаряда. Технология вскрытия и освоения водоносного горизонта. Разработка технологии цементирования эксплуатационной колонны.

    курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.02.2013

  • Перспективы развития многосекционных турбобуров в РФ. Анализ существующих конструкций забойных двигателей. Классификация породоразрушающего инструмента. Схема поликристаллического долота. Гидравлический расчет промывки скважины и вала шпинделя турбобура.

    курсовая работа [3,4 M], добавлен 25.11.2014

  • Сущность процесса бурения, назначение и виды буровых скважин. Правила проектирования, монтажа и эксплуатации буровых установок для бурения нефтяных и газовых скважин. Важность соблюдения инструкции по технике безопасности при проведении буровых работ.

    контрольная работа [40,7 K], добавлен 08.02.2013

  • Геолого-технические условия бурения. Проектирование конструкции скважины. Выбор и обоснование способа бурения. Выбор бурового инструмента и оборудования. Проектирование технологического режима бурения. Мероприятия по предупреждению аварий в скважине.

    курсовая работа [927,4 K], добавлен 30.03.2016

  • Метод ударно-канатного бурения скважин. Мощность привода ротора. Использование всех типов буровых растворов и продувки воздухом при роторном бурении. Особенности турбинного бурения и бурения электробуром. Бурение скважин с забойными двигателями.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.10.2011

  • Сущность процесса бурения скважин, классификация способов и методов реализации данного процесса. Элементы буровой скважины, функциональные особенности турбобура и электробура. Сведения о передаче сигналов между забоем скважины и ее поверхностью.

    дипломная работа [4,8 M], добавлен 27.09.2014

  • Геологические условия бурения. Расчет плотности растворов. Выбор конструкции скважины и способа бурения, гидравлической программы бурения скважины. Выбор типа промывочной жидкости. Расчет обсадных колонн на прочность. Характеристика бурильной установки.

    курсовая работа [74,5 K], добавлен 20.01.2016

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.