УКД 622.24

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Автор: Хузина Л.Б., Габдрахимов М.С. Уфимский государственный нефтяной технический университет, филиал в г. Октябрьский

Источник: "Нефтегазовое дело"

В нефтяной промышленности, техника и технология буровых работ постоянно совершенствуется, всё чаще строятся скважины с большими отходами от вертикали. При этом основной проблемой становится снижение высокого коэффициента трения при вращении бурильной колонны. Применяемые методы снижения трения обычно связаны с изменением типа бурового раствора или промывочной жидкости, используются и механические методы. Одним из таких, является применение механических наддолотных виброусилителей, основу которых составляют поличастотные маятники. В связи с этим, актуальными становятся исследования, связанные с определением оптимального частотного диапазона работы наддолотных виброусилителей.

Ранее проводились исследования, связанные с динамикой бурильного инструмента. Фундаментальные основы исследований механических и абразивных свойств горных пород были выполнены Л. А. Шрейнером и его ученицей Н. П. Павловой, А. И. Спиваком, Б. В. Байдюком и др.

Важнейшие вопросы теории разрушения горных пород при бурении были решены в работах В. С. Владиславлева, Р. М. Эйгелеса, В. В. Симонова, Б. А. Жлобинского, Ф. Ф. Воскресенского и др.

С начала 1960-х гг. под руководством профессора М.Р. Мавлютова велись исследования по разрушению горных пород при динамическом вдавливании инденторов.

Исследованием механических, абразивных свойств горных пород и их разрушения, а также совершенствованием конструкций долот занимались ведущие коллективы институтов ВНИИБТ, МИНХиГП, БашНИПИнефти, УГНТУ во главе с учеными В. Н. Виноградовым, Н. А. Жидовцевым, Н. Ф. Кагармановым, А. Н. Поповым и др.

Оценка влияния пластичности и дифференциального давления разрушения горных пород при исследованиях устойчивости, обвалообразований, термовязкоупругости была проведена исследователями А.Х. Мирзаджанзаде, М.К. Сеид-Рза, Н.Н. Павловой, Т. Г. Фараджевым, Е. Г. Леоновым и другими.

Динамика бурильного инструмента теоретически и экспериментально изучена в работах М. Р. Мавлютова, Р. Х. Санникова, Б. З. Султанова, М. С. Габдрахимова, Г. А. Кулябина и др.

Экспериментальные исследования Ф. Ф. Воскресенского, М.Р. Мавлютова, А.И. Спивака, А.Н. Попова позволили выявить ряд закономерностей и факторов, влияющих на разрушение горных пород.

Однако, до сих пор нет единого мнения по поводу необходимого частотного диапазона для работы наддолотных механизмов. В связи с этим, на кафедре НПМО ОФ УГНТУ проводились экспериментальные исследования для определения оптимальных параметров гидроударных механизмов и моделей их рабочих элементов на лабораторном стенде. При определении оптимального частотного диапазона работы гидроударных механизмов нами применялась следующая схема использования оборудования, входящего в состав лабораторного стенда:
- модель гидроударного механизма с регулируемой частотой;
- измерительный блок;
- вибропреобразователь.

Экспериментальные работы проводились путем воздействия модели гидроударного механизма на горную породу при статической и динамической нагрузке. В качестве образцов горной породы были выбраны гранит и мрамор, как породы обладающие высокой категорией твердости. Индукционный вибропреобразователь (вибродатчик) преобразовывал механические колебания в электрические сигналы, пропорциональные виброскорости. При измерении амплитуды сигналы с вибродатчика через интегратор поступали на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходной сигнал АЦП подавался на вход электронного счетчика и высвечивался затем на цифровом индикаторе.

При проведении лабораторных испытаний контролировались следующие параметры: частота ударов, амплитуда динамической и статической нагрузки, глубина внедрения, время внедрения, величина мощности модели виброусилителя. Модель виброусилителя имела три режима работы:
- ударный;
- ударно-вращательный;
- вращательный.

Для измерения параметров вибрации применялась измерительная система лабораторного стенда, представленная вибродатчиком, аналого¬цифровым преобразователем, электронным счетчиком сигналов.

Экспериментальные работы проводились путем воздействия виброусилителя на горную породу при статической и динамической нагрузке.

Диаграмма зависимости скорости внедрения виброусилителя от частоты для гранита при ударно-вращательном режиме приводится на рисунке 1. Точками обозначены экспериментальные значения, которые аппроксимировались при помощи полиномиальной линии тренда (показана сплошной линией). Приведем полученное уравнение регрессии:

у = -01Е - 0,8х4 + 9Е - 0,6х3 - 0.002х2 + 0,1757х +1,0162

Величина достоверности аппроксимации И2 составила 0,8933. Из диаграммы видно, что частота внедрения виброусилителя в гранит существенно влияет на скорость внедрения. Так, в интервале от 5 до 111 Гц скорость увеличивается, далее от 111 до 150 Гц начинается небольшое уменьшение скорости и, наконец, в интервале от 150 до 220 Гц - стабилизация значений.

Скорости внедрения виброусилителя в мрамор при ударно¬вращательном режиме имеет значения, которые почти на порядок ниже, чем для гранита при аналогичных условиях.

Тем не менее, зависимость скорости внедрения от частоты также четко прослеживается, а именно, с увеличением частоты растет скорость. Данные таблицы нашли отражения в диаграмме (рис. 2.), также приведем уравнение регрессии:
y = -2E - 0,8x3 -1E - 0,6x2 + 0,0035x + 0,003
и величину достоверности аппроксимации К2 = 0,8313.

Рисунок 1 - Зависимость скорости внедрения виброусилителя в гранит от частоты воздействия при ударно-вращательном режиме.

Зависимости скорости внедрения виброусилителя от частоты воздействия при ударном режиме в гранит и мрамор приводятся на диаграммах (рисунки 3 и 4).

Отметим, что тенденция к увеличению скорости внедрения в зависимости от частоты воздействия сохраняется.

При изучении зависимости скорости внедрения виброусилителя в гранит от частоты воздействия при ударно-вращательном режиме установлено, что после значений 100-200 Гц существенного прироста скорости внедрения не наблюдается, напротив, происходит плавное ее снижение (рис. 4). Это нашло отражение и других графиках.

Рисунок 2 - Зависимость скорости внедрения виброусилителя в мрамор от частоты воздействия при ударно-вращательном режиме

Рисунок 3 - Зависимость скорости внедрения виброусилителя в гранит от частоты воздействия при ударном режиме.

Рисунок 4 - Зависимость скорости внедрения виброусилителя в мрамор от частоты воздействия при ударном режиме.

Лабораторные исследования позволили выявить зависимость скорости бурения от применяемого режима. Для одной и той же горной породы рассматривались три режима бурения — вращательный, ударный и ударно-вращательный.

При вращательном режиме, что в реальных условиях бурения соответствует случаю, когда шарошки сильно изношены, без зубьев, скорость внедрения была настолько низкой, что не поддавалась измерениям. Ввиду этого этот режим был признан неэффективным и далее не исследовался.

При ударном режиме (воздействие осуществлялось в продольном направлении, что в реальных условиях соответствует работе пневмоударников в скважине без вращения долота) скорость внедрения была небольшая.

Ударно- вращательный режим, в реальных условиях ему сопоставлялось бурение с виброусилителем, при котором происходит ударное воздействие на долото в то время, когда долото находится во вращательном движении. Этот режим дает в несколько раз большую скорость внедрения, чем ударный и вращательный. Так, из таблиц зависимости скорости внедрения виброусилителя в гранит видно, что при ударном режиме на частоте 100 Гц - Пуд = 1,15-0-3 м/с, при ударно¬вращательном режиме Оувр = 6,4430-3 м/с. Для мрамора при той же частоте Оуд = 0,09 30-3 м / с, Оувр = 0,25 30-3 м / с..

При сопоставлении основных результатов наиболее эффективным, с точки зрения скорости бурения горных пород, является ударно¬вращательный режим.

Сопоставление результатов скорости внедрения в гранит при ударно-вращательном и ударном режиме.

Проведенные лабораторные эксперименты показали, что при неизменном значении: величины нагрузки, времени воздействия, образца горной породы, частоты воздействии - ударно-вращательный режим бурения дает в несколько раз большую скорость внедрения, чем ударный, а при постоянных величинах: режима работы, образца породы, динамической нагрузке, времени воздействия - оказалось, что скорость внедрения растет с увеличением частоты воздействия. Но, начиная с частоты 145 Гц (при ударном режиме) и 111 Гц (при ударно¬вращательном режиме) существенного прироста скорости внедрения не наблюдалось.

Как следует из графиков, при увеличении частоты воздействия после 145 Гц не увеличивается скорость внедрения. Это связано, в определенной мере, с уменьшением продолжительности контакта индентора с породой, происходит как бы "зависание" индентора.

Для повышения скорости бурения скважин, особенно роторного, следует разрабатывать наддолотные виброусилители с частотным диапазоном до 145 Гц. Желательно, чтобы эти инструменты использовали динамическое воздействие на горную породу, в этом случае, эффект должен быть лучше.