Многоступенчатый виброусилитель для разрушения ухабообразного забоя Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.Б. Хузина, М. С. Габдрахимов, 2006

УДК 622.24

Л.Б. Хузина, М. С. Габдрахимов

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ВИБРОУСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ УХАБООБРАЗНОГО ЗАБОЯ

Семинар № 20

сновным конструктивным недостатком системы «многошарошечное долото - бурильная колонна» является присущее ей при бурении возникновение ухабообразности забоя скважины, которое приводит к возникновению динамических нагрузок на долото с зафиксированной рядом исследователей величиной, для скважин диаметром 215,9 мм - до 60-160 кН. Возникновение ухабообразности забоя при бурении многошарошечными долотами удовлетворительно

объясняется наличием в системе «бурильная колонна - скважина» продольных релаксационных автоколебаний колонны, генерируемых трением бурильных замков о стенки скважины в процессе углубления долота в породу (частотаv = 0,8... 1,1 Гц; АР = 0,5...3,0 кН [4]), и периодической разгрузкой веса колонны на забой тормозом лебедки (V = 0,5...1,2 Гц; АР = 5...30 кН [4]), а также осевыми нагрузками, возбуждаемыми в пяте турбобура пульсацией промывочной жидкости (V* 1 Гц; АР = =2...13кН [4]). Эти автоколебания приводят к ухабообразности забоя скважины с амплитудой, так называемых, грунтовых колебаний долота с частотой, равнсдия роторного бурения (при п = =50... 180 мин-1) V = 2,5...9,0 Гц;

- для турбинного (при п = =200...800 мин-1) V = 10...40 Гц.

Амплитуда грунтовых колебаний АРг для некоторых типов долот, согласно результатам исследований В.П. Балицкого, А.М. Некрасова и др., при нерезонансных режимах может быть принята равной:

- для турбинного бурения

АРг = кд Рд = (0,3...0,8)Рд ;

- для роторного бурения АРг = (0,2...0,5) Рд,

где Рд - осевая нагрузка на долото.

Для борьбы с грунтовыми колебаниями долота от ухабообразности забоя скважины наиболее часто используются:

- различные конструкции виброгасителей продольных, крутильных или поперечных колебаний колонны (отличаются высокой стоимостью), параметры которых должны соответствовать условиям демпфирования только грунтовых колебаний долота (при гашении зубцовых будет снижаться механическая скорость бурения);

- антивибрационные компоновки бурильных колонн, основанные на принципах акустического или динамического виброгашения (требуют достаточно высокой технологической «культуры» труда);

- различные типы устройств, нарушающих синхронность наиболее энергоемких видов продольных, крутильных и поперечных параметрических колебаний низа бурильного инструмента;

Кроме того, применяют различные технологические приемы, например:

а) снижение коэффициента трения между соединительными замками бурильных труб и стенками скважины,

б) специальный подбор по мере заглубления долота в породу частоты разгрузки веса колонны на забой тормозом лебедки (снижается амплитуда релаксационных автоколебаний колонны и, соответственно, инициируемых ими грунтовых - наглядно проявляется, в так называемом, эффекте присутствия) и т. д.

Более простым и надежным способом борьбы с грунтовыми колебаниями долота по сравнению с указанными, является использование различных видов наддолотных гидромеханических ударников, включающих в себя, например, клапанный узел (для периодического накопления энергии удара) и синхронизирующее его работу какое-либо маятниковое устройство.

Механизм реализации такого способа заключается в следующем. Грунтовые продольные колебания долота вызывают возникновение крутильных и параметрических поперечных. Соответственно, с такой же частотой будет колебаться и маятниковое устройство. Причем, обеспечивать вынужденные колебания маятника (с эквивалентной частотой) может любой из указанных видов колебаний. Периодическое перекрытие, управляемого маятником или балансиром, например, седла клапана и сочлененного с ним механического ударника создает дополнительную динамическую нагрузку на долото. При синхронизации момента удара с моментом нахождения опор шарошек на вершинах ухабов интенсифицируется процесс их разрушения. В результате, забой скважины будет постепенно выравниваться. А снижение ухабообразности забоя ведет, как известно, к росту проходки на долото и

к увеличению механической скорости бурения.

Разработанный метод предназначен для уменьшения ухабообразности забоя скважины при бурении многошарошечными долотами, с целью, в первую очередь, увеличения проходки на долото. При использовании поличастотных вибраторов, дополнительно, увеличивается и механическая скорость бурения.

Сущность метода заключается в следующем. В момент, например, подъема долота на вершину ухаба находящаяся в противофазе с ним колеблющаяся с такой же частотой vB^ = vr, где vr частота

грунтовых колебаний долота от ухабо-образности забоя скважины, масса (например, подпружиненное седло 4 вибратора (рисунок) под действием сил инерции действует на долото с какой-то динамической нагрузкой Р^ . Если пренебречь демпфированием в системе «бурильная колонна - скважина», то действие такой нагрузки при использовании моночастотного вибратора будет идентично использованию составных компоновок бурильных колонн.

Для поличастотного вибратора (см. рисунок) с дополнительной частотой vB , генерируемой маятником 16 дополнительной осевой динамической нагрузкой при условии vB2 > vB^ , суммарная динамическая нагрузка определяется по принципу суперпозиции

^АРв = АРв, +АРв2 , где АРВ1 = AFr определяется по формуле (1); APB 2 = AFyД определяется по формуле

FyД = mix = \ma2 Х|. (2)

AFr = -аю2гХ2 +(k - ma2r)X , (1)

3

Скважинный вибратор: 1 - корпус; 2 - верхний переводник; 3 - нижний переводник; 4 - подпружиненное седло; 5 - пружина; 6 - проходное отверстие; 7 - калиброванная втулка; 8 - балансир; 9 -тарелка; 10 - ось; 11 - выступ

где из уравнения установившихся колебаний седла т с пружиной жесткостью к под воздействием возмущающей нагрузки АР • ап :

т(^хг + {к + эо2X • —1 х = АР ап а. (3) (Я2 \ 3 ]

определяется амплитуда виброперемещений седлаX

(та*2 - к)± (та*2 - к)2 + — а®2АР

4 2

аа 2

0,5

Так как амплитуды, генерируемых вибратором обеих динамических нагрузок АPB и АPB для реальных систем

многократно меньше амплитуды грунтовых колебаний долота, то по мере вращения долота, забой будет постепенно выравниваться.

Таким образом, для уменьшения уха-бообразности забоя скважины при буре-

1. Воскресенский Ф.Ф., Кичигин А.В., Славский В.М., Славский Ю.Н., Тагиев Э.Н. Вибрационное и ударно-враща-тельное бурение. - М.: Гостоптехиздат, 1961. - 243 с.

2. МальченокВ.О., Уткин И.А. Звуковые вибраторы для бурения.- М.: Недра, 1969. - 136 с.

3. Патент 2241816 С1 Ш, Е 21 В

нии многошарошечными долотами, с целью, в первую очередь, увеличения проходки на долото и механической скорости бурения может применяться предложенный многоступенчатый виброусилитель.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7/24. Скважинный вибратор/ Габдрахимов Н.М., Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С., Габдра-химова Л.М.- № 2003104929/03; Заяв.

18.02.2003; Опубл. 10.12.2004, ил. 2., бюл. № 34.

4. Янтурин А.Ш. Передовые методы эксплуатации и механика бурильной колонны. -Уфа: Баш. кн. изд-во, 1988. - C. 168 .

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------

Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С. - Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в городе Октябрьском.

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГОБОЗОВ Станислав Федорович Повышение эффективности отработки наклонных рудных залежей вариантами камерно-столбовой системы разработки (на примере Урупского месторождения) 25.00.22 к. т. н.

МАСКОВ Юрий Петрович Повышение эффективности взрывных работ на горных предприятиях на основе исследования параметров электровзрывных цепей 25.00.22 к. т. н.