Дослідження виникнення низькочастотних коливань на імітаційній моделі бурильної колони

Размещено на http://www.allbest.ru/

38

|

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИНИКНЕННЯ НИЗЬКОЧАСТОТНИХ КОЛИВАНЬ НА ІМІТАЦІЙНІЙ МОДЕЛІ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ

Л.М. Заміховський, Б.М. Малярчук, П.І. Огородніков

Аннотация

свердловина забій бурильний колона

Исследуется взаимосвязь динамического состояния бурильной колонны и параметров процесса углубления забоя скважин на ее имитационной модели. Предлагается метод определения условий возникновения низкочастотных колебаний в бурильной колонне, которые могут привести к появлению волнообразного забоя скважин и в конечном итоге к резонансному режиму работы бурильной колонны. Знание природы возникновения низкочастотных колебаний бурильной колонны позволит предупредить возможность их возникновения.

Annotation

The interconnection between the dynamical state of the drill stem and the borehole bottom deepening process parameters is investigated in present article using the bottom's imitation model. The method of low-frequency vibrations of the drill stem appearance conditions definition is given taking to account the possibility of wavy borehole bottom receiving, and, finally, to the resonance regime of drill stem work. The information about the nature of low-frequency vibrations of the drill stem appearance will allow to prevent the possibility of one's realization.

Виклад основного матеріалу

Процес заглиблення свердловини характеризується значною невизначеністю і складним взаємозв'язком показників і параметрів режиму буріння. Для проектування оптимального процесу буріння необхідно мати залежності показників роботи доліт від технологічних факторів, тобто скласти математичну модель процесу.

Результати теоретично-експериментальних досліджень процесу буріння свердловин дали змогу розробити ряд моделей [1, 2, 3 та ін.]. Однак вказані моделі не враховують вплив динамічних процесів, які виникають при бурінні свердловини, що призводять до невідповідності прогнозованих показників процесу буріння по моделі заглиблення вибою їх фактичним значенням. Останнє зумовлено розвитком в бурильній колоні низькочастотних коливань, що в кінцевому результаті призводить до резонансного режиму її роботи, порушення безвідривної роботи долота і виникнення хвилеподібного вибою.

Таким чином, постає завдання встановлення ступеня вірогідності роботи моделі процесу буріння залежно від вібраційного стану бурильної колони при поглибленні свердловини. Його вирішення дасть змогу здійснити підбір компоновки низу бурильної колони, яка забезпечить ефективний режим руйнування породи при номінальному значенні вібростану бурильної колони, зумовленому показниками її надійності.

Рисунок 1 Графіки зміни механічної швидкості проходки V_м і віброшвидкості поздовжніх коливань бурильної колони V_п по глибині свердловини L

Прогнозуванню зон можливого резонансу бурильної колони при поглибленні свердловини, а також вивченню низькочастотних коливань інструменту присвячено ряд робіт, наприклад [4, 5].

Вирішення поставленого завдання вимагає встановлення взаємозв'язку між параметрами динамічної моделі бурильної колони з парамет-рами моделі процесу буріння.

Взаємний зв'язок закономірностей вібраційного процесу з руйнуванням гірської породи долотом в процесі поглиблення вибою був відмічений в роботі [6, 7].

Результати обробки паралельних записів механічної швидкості проходки і вібро-швидкості поздовжніх коливань бурильної колони (квадрата) та порівняння з результатами стандартного каротажу (рис. 1) дають змогу виявити тісний кореляційний зв'язок між рівнем віброшвидкості поздовжніх коливань бурильної колони , механічною швидкістю проходки і властивостями розбурюваних порід. Це дає можливість прийняти пропорційність і , що, в свою чергу, дозволяє встановити зв'язок між динамічними параметрами бурильної колони та інтенсивністю взаємодії долота з вибоєм свердловини.

Для вирішення поставленого завдання встановлення взаємозв'язку динамічного стану бурильної колони і параметрів поглиблення вибою свердловини розглянемо таку задачу. Нехай збурений стан бурильної колони визначається поздовжніми і крутними коливаннями, що виникають при взаємодії долота з вибоєм. Тоді, моделюючи бурильну колону у вигляді стрижня з розподіленими параметрами і відповідними граничними умовами, приходимо до схеми, яка представлена на рис. 2: - жорсткість талевої системи, яка змінюється в процесі поглиблення вибою; - глибина свердловини; - довжина обтяженої бурильної труби (ОБТ); - маса ОБТ, яка дорівнює , - густина матеріалу; - площа попе-речного перерізу ОБТ; - момент інерції ОБТ; - модуль Юнга; - площа поперечного перерізу бурильних труб; - відповідно поздовжня і крутна жорсткість амортизатора; - модуль пружності другого роду і полярний момент інерції бурильної колони відповідно; - поздовжні і крутні переміщення перерізу бурильної колони; - поздовжні і крутні переміщення долота

Дана моделююча схема спрощена: ОБТ прийнято, як зосереджена маса, а підамортизаторною масою можна нехтувати.

Рисунок 2 Розрахункова модель бурильної колони

Згідно з роботою [8], динамічна модель, яка пов'язує динамічні параметри бурильної колони з режимами буріння і враховує геологічні умови, запишеться, як рівняння поздовжніх коливань

(1)

Граничні умови:

1.

; (2)

2.

(3)

де: - швидкість поздовжньої пружної хвилі; - віброшвидкість;

де .

де: - миттєва механічна швидкість; - навантаження на долото.

Рівняння крутних коливань:

(4)

Граничні умови:

1.

; (5)

2.

(6)

Початкові умови:

 (7)

(8)

, (9)

де - момент опору на долоті; - кутова швидкість долота.

(10)

Отримана сукупність залежності за допомогою ряду перетворень, дає змогу дослідити стійкість руху бурильної колони і визначити вірогідність прогнозованих результатів при використанні даної моделі поглиблення свердловини.

Нехай в початковий момент внаслі-док деякого збурення зі сторони вибою, долото змінило кутову швидкість на величину. Застосовуючи тепер до задачі (1), (4) перетворення Лапласа за змінною і розв`язавши отримані рівняння, знаходимо зображення.

Для поздовжніх коливань

(11)

При вираз запишеться так:

(12)

де - змінна Лапласа.

Для крутних коливань

. (13)

Застосовуючи перетворення Лапласа до рівнянь зв'язку (8), отримаємо

(14)

(15)

Спільний розв'язок рівнянь (11,13) та рівнянь зв'язку (14,15) дає можливість визначити

(16)

(17)

(18)

(19)

Розглянемо початок нерівномірного руху системи “долото - бурильна колона”, тобто, коли час малий. В цьому випадку для якісного аналізу можна використати асимптотичне представлення зображення при великих значеннях.

Очевидно, що при і після нескладних перетворень отримаємо асимптотичне представлення зображення:

при

(20)

при

(21)

при - верх бурильної колони

(22)

при

(23)

В результаті нами отримані асимптотичні залежності в зображеннях для параметрів поздовжніх і крутних коливань верху і низу бурильної колони зі складною компоновкою.

Запропонований метод визначення умов виникнення низькочастотних коливань в бурильній колоні полягає в тому, що на отриману модель подається імпульсне збурення . Якщо коливний процес наростає, є висока ймовірність для виникнення низькочастотних коливань в бурильній колоні, а буріння буде проходити по хвильоподібному вибою.

Література

1. Бревдо Г.Д. Проктирование режимов бурения. М.: Недра, 1981. 200 с.

2. Погарский А.А., Чефранов К.А., Шишкин О.Г. Оптимизация процесса глубокого бурения. М.: Недра, 1981. 296 с.

3. Семенцов Г.Н., Горбійчук М.І. Концепція адаптативного керування процесом буріння глибоких свердловин на нафту і газ // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. 1997. № 34 (т.6). 11 с.

4. Юнин Е.К. Управление низкочастотными колебаниями бурильной колонны с целью повышения процесса бурения: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 1983. 48 с.

5. Балицький П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважин. М.: Недра, 1975. 293 с.

6. Огородников П.И., Вронский И.Ю., Снарский А.Н., Янкевич А.Н., Яремийчук Р.С., Орлов А.А. К вопросу виброакустического определения свойств разбуривемых пород // Нефть и газ. Баку, 1977. № 3. С. 15-16.

7. Замиховский Л.М. Экспериментальные иследования влияния параметров КНБК на износ шарошечных долот и колебательные процессы в бурильной колонне // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Механика горных пород при бурении”. Грозный: ГНИ, 1988. С. 37.

8. Огородніков П.І. Імітаційна модель заглиблення вибою свердловини // Нафтова і газова промисловість. 1992. № 2. С. 25-27.

Размещено на Allbest.ru