Рис. 1 Резонансный молот
Луис Фернандо П.Франка, Ганс Инго Вебер
Факультет машиностроения, Епископский католический университет
Рио де Жанейро, улица Маркес де Сао 225, Рио де Жанейро,
RJ 22453-900, Бразилия От 11 декабря 2003
Источник: www.elsevier.com/locate/chaos
Перевод: Дутова О. В.
Для увеличения силы проникновения в твердые породы, были разработаны новые буровые техники. Данные техники используют гармонические волновые заряды, и в некоторых случаях также ударные нагрузки, для достижения более глубокого проникновения. Анализируя явление ударного проникновения, новая представленная здесь модель дает возможность для поступательного движения с помощью и при отсутствии ударных нагрузок. Практические и теоретические исследования были представлены и сравнены количественно и качественно. Также при рассмотрении других параметров в ходе эксперимента было показано, что характер движения может изменяться от периодического к хаотическому. С точки зрения инженерии главным в данном исследовании остается вопрос возможности увеличения уровня силы проникновения. Для изучения данного вопроса необходимым является метод моделирования, а также особое внимание к зонам с характеристиками цикла
В последнее время интерес к поиску залежей нефти на больших глубинах заметно возрос. Из-за большого количества особых скважин были разработаны специальные бурильные техники. Необходимость замены головки бура или остановка работы для контроля условий работы и
увеличения эффективности процесса могут стать причиной значительной задержки начала бурильных работ.
Особое внимание сегодня уделяется увеличению продуктивности буровых технологий методом динамической нагрузки на поверхность породы [1, 3, 4, 9]. Возникновение такого повышенного внимания обусловлено ростом производства. На сегодняшний день такой метод был применен только в ограничивающих условиях малой глубины.
Различные вибрации бурильных колонн являются нежелательными в бурильном процессе. Вибрации (осевая, крутящая и искривляющая) при сильном влиянии могут привести к продольной вибрации бурового долота, скачкообразному колебательному движению и вихревому движению долота соответственно. Тем не менее, как показано в данной работе, возможным является контроль над некоторыми такими вибрациями и, таким образом, увеличение эффективности бурового процесса.
В данной работе представлена альтернативная бурильная техника, названная буровой моделью резонансного молота, для повышения механической скорости проходки (МСП) при бурении твердых пород. Эта техника основывается на использовании уже существующих вибраций в бурильной колонне, в частности осевой вибрации, благодаря процессу резки для образования гармоничной нагрузки на головку бура и активизации в молоте. Когда уровень частоты активизации приближается к уровню резонансной частоты, может возникнуть давление на головку бура. При этом сдвиг массы молота ограничен зазором в положительном направлении.
Следовательно, кроме вращательного проникновения, когда зубцы головки бура входят в породу при вращении бурильной колонны, благодаря гармонической нагрузке либо благодаря удару, происходит ударное проникновение, при котором увеличивается уровень МСП. Тем не менее, гармоническая сила никогда не должна превышать показатель предварительной нагрузки, из-за возможности эффекта подскакивания
долота на забое. Резонансная частота молота не должна совпадать с природной рабочей частотой бурильной колонны.
Данное исследование рассматривает явление ударного проникновения. Здесь представлена простая модель для продольного поведения зоны соприкосновения головки бура и породы. Сопротивление в процессе бурения смоделировано при помощи элемента сухого трения. Более того, представленная модель движется вперед в фазе скольжения с ударной нагрузкой и без него.
Из-за наличия ударной нагрузки и сухого трения такие системы называют негладкими. В течение последнего десятилетия для изучения негладких систем были разработаны новые аналитические и числовые инструменты [6, 11, 14]. Динамика физических систем, компоненты которых могут подвергаться ударной нагрузке или представлять явление сухого трения, очень важна при практическом применении.
Тем не менее, этому вопросу посвящено не достаточное количество работ [3, 10, 12].
В данном контексте, целью этой работы является исследование динамики предложенной модели негладкого ударного бурения и доказательство эффективности числовой модели экспериментальным путем. Для этого были использованы такие нелинейные инструменты, как фазовое пространство, бифуркационная диаграмма.
Экспериментальные данные новой ударной реакции получены при работе с прибором, изображенным на Рис. 2а.
Два элемента (А и В) соединены двумя рессорами (2) и могут двигаться почти без трения на танкетках (4). Движение системы происходит вдоль ствола (5) благодаря предварительной нагрузке (6) и гармонической силе, возникшей в вибраторе (1). Ствол соответствует глубине проникновения головки бура.
1. Вибратор; 2. Рессоры; 3. Устройство для создания сухого терния; 4. Танкетт 5. Ствол; 6. Предварительная нагрузка; 7. Кодирующее устройство CI-6538; I Устройство для ударной нагрузки.
Предварительная нагрузка и вибратор закреплены в первом устройстве. Сухое трение производится с помощью фрикционных башмаков на рессорах, закрепленных шурупом. Это устройство способно изменять силу трения. Получение данных происходит через кодирующее устройство (7). Устройство для ударной нагрузки (8) имеет способность изменять зазор между элементами. Кодирующие устройства подсоединены к компьютеру через USB-порт. Угловое положение измерения датчиков и угловая скорость и их технические характеристики: точность +/-0.09°, максимальная скорость 30 оборотов в секунду, максимальная частота 1000 Hz. На Рис. 2Ь показана фотография экспериментального устройства.