Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Обоснование темы и названия, актуальность работы
- 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
- 3. Обзор исследований и разработок
- 4. Расчет и определение параметров надшарошечного утяжелителя
- 5. Экспериментальные исследования
- Заключение
- Список источников
Введение
В последние годы ведется интенсивный поиск решения проблемы повышения производительности перспективных до недавнего времени способов бурения скважин, в том числе и относящегося к наиболее скоростному методу проведения скважин – бурение сплошным забоем шарошечными долотами.
При этом способе горная порода на забое разрушается вращающимся долотом, на которое передается осевая нагрузка и крутящий момент. Крутящий момент на долото передается от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб. Осевая нагрузка создается в основном частью веса находящихся над долотом утяжеленных бурильных труб (УБТ).
Известно, что бурение шарошечными долотами сопровождается вертикальными колебаниями бурильной колонны. При этом значительная часть горных пород более эффективно разрушается при длительных нагрузках.
Прямая зависимость механической скорости бурения от ударного приложения нагрузки на долото, а также вероятная возможность использования энергии колеблющейся колонны бурильных труб в качестве генератора динамических усилий, передаваемых на породоразрушающий инструмент, способствовали формулировке задачи, в соответствии с которой необходимо было решить вопрос проектирования простой ударной системы, источником питания которой была бы энергия бурильной колонны.
Предложенное техническое решение может оказаться перспективным при бурении традиционных скважин установками с роторным вращателем, особенно в интервалах забуривания и малой глубины скважины, когда вес снаряда недостаточен для создания разрушающего усилия на горную породу. В этом случае использование энергии колебаний бурильной колонны для создания динамических нагрузок на долото в совокупности со статическим давлением формирующимся имеющимся весом буровой колонны, создает благоприятные условия для более эффективного разрушения горной породы.
1. Обоснование темы и названия, актуальность работы
Прямая зависимость механической скорости бурения от ударного приложения нагрузки на долото предполагает поиск решений, направленных на использование энергии колеблющейся колонны бурильных труб, которая в совокупности со статической нагрузкой, формирующейся весом колонны, может создать благоприятные условия для более эффективного разрушения горной породы.
Обобщение и анализ различных ударных систем, позволяет сделать вывод о том, что в плане рабочей доступности и перспективности наиболее оптимальным вариантом является использование утяжелителей скользящего типа, свободно расположенных на бурильной колонне и опирающихся на долото. В основе данной идеи лежит тезис о том, что если тело с большей массой наносит упругий удар по телу с меньшей массой, то последнее отскочит от него со скоростью большей, чем скорость соударения. Следовательно, если комплект состоит из нескольких тел с постоянно уменьшающейся массой, то, сообщив наиболее тяжелому из них какую-то скорость, можно получить на выходе этой системы еще большее увеличение скорости.
2. Цель и задачи работы, планируемые результаты
Цель работы – разработка и обоснование параметров ударной системы в виде набора утяжелителей скользящего типа, которая в совокупности со статической нагрузкой, формирующейся весом колонны, создает благоприятные условия для более эффективного разрушения горной породы шарошечными долотами.
Связь работы с научными программами и планами, выполнения работ по заявкам научных или производственных организаций.
Задачи, предусмотренные в магистерской работе, рассматриваются как часть исследований в соответствии с научным направлением кафедры ТТБС, и касаются технических разработок ударных систем для интенсификации разрушения пород на забое скважины.
Задачи исследований:
- Анализ и обобщение литературных источников для выбора метода теоретического обоснования параметров утяжелителей, использующихся в качестве источника формирования дополнительной динамической нагрузки на забой.
- Разработка метода и расчет параметров утяжелителей в компоновке ударного узла.
- Разработка физической модели ударной системы и экспериментальная оценка обоснованности применения утяжелителей для выбранного исполнения ударного бурового снаряда.
- Разработка конструкторской документации ударного узла, в виде набора утяжелителей, скользящих по гладкой поверхности бурильной трубы, установленной непосредственно над шарошечным долотом.
Идея работы заключается в использовании общих принципов проектирования компоновки ударной системы для выбора сочетания количества масс утяжелителей, при которых будет достигаться максимальный эффект динамического воздействия долота на породу.
Объект исследований – процессы и технологические режимы вращательного бурения скважин шарошечными долотами.
Предмет исследований – процессы передачи динамических нагрузок на забой при использовании компоновки ударной системы, в виде набора утяжелителей, размещенных над шарошечным долотом.
Возможные результаты, которые ожидаются в результате выполнения работы, их новизна и значение – метод и машинная программа расчета параметров утяжелителей. Рабочая документация и образец модели ударной системы.
Объект исследования: синтез автоматов Мура.
Предмет исследования: объединение методов уменьшения аппаратурных затрат при реализации автоматов Мура в базисе микросхем FPGA.
3. Анализ технологических приемов и технических средств повышения продуктивности бурения шарошечными долотами.
Известны различные способы повышения производительности шарошечного бурения: использование комбинированного породоразрушающего инструмента; новых высокотехнологичных шарошечных долот зарубежных фирм; путем использования наддолотных пневмо- и гидроударников, устанавливаемых над шарошечным долотом, позволяющих снизить себестоимость бурения, а следовательно, и необходимость покупки дорогостоящей импортной техники и другие.
На начальных интервалах бурения нагрузка на долото может оказаться недостаточной. Для повышения эффективности бурения необходимо использовать УБТ повышенной массы.
Повышение технико-экономических показателей бурения скважин в значительной степени можно обеспечить сокращением больших потерь времени на смену изношенного породоразрушающего инструмента путем внедрения различных средств автоматизации и механизации.
До настоящего времени среди специалистов нет однозначного мнения о роли дополнительного динамического воздействия на забой при бурении скважин шарошечными долотами. Некоторые исследователи считают, что колебательные процессы в бурильной колонне приводят к сокращению срока службы элементов бурового снаряда и долот, а, следовательно, снижают эффективность процесса бурения. Поэтому их разработки направлены на создание амортизаторов и демпферов колебаний бурильной колонны. Другие исследователи придерживаются мнения о необходимости усиления колебательных процессов в бурильной колонне, для чего предлагают использование динамически активных компоновок бурового снаряда, в состав которых включают вибраторы, гидроударники, виброусилители и т.д. И те, и другие аргументируют свои выкладки положительными результатами экспериментальных работ и промысловых испытаний. Мало того, часть исследователей признает положительную роль, как гасителей, так и возбудителей колебаний при определенных условиях эксплуатации, что привело к созданию компоновок бурового снаряда, в которые одновременно включаются оба типа устройств.
Таким образом, на основании анализа ранее проведенных исследований можно сделать вывод, что влияние дополнительного динамического воздействия на забой действительно неоднозначно. И поэтому говорить о пользе или вреде колебательных процессов, действующих на забой, можно только лишь исходя из следующих соображений. Как известно, при работе шарошечных долот на забой действует статическая нагрузка, обусловленная весом сжатой части низа бурильной колонны, и динамическая нагрузка, возникающая при перекатывании шарошек по забою. Тогда, если сумма статической и динамической нагрузок будет значительно меньше, чем допустимая нагрузка на долото, то следует говорить о необходимости усиления колебательных процессов для дополнительного воздействия на забой. В этом случае такие меры способствуют интенсификации процесса разрушения горной породы и повышению механической скорости бурения (обычно это наблюдается при роторном бурении скважин). В противном случае, когда суммарная нагрузка на долото приближается к значению допустимой нагрузки, то необходимо применять меры по гашению колебаний, приводящих к дополнительному воздействию на забой. Это связано с тем, что даже нерегулярно возникающие усилия на контакте «долото — горная порода», а особенно отскоки долота от забоя могут приводить к быстрому износу породоразрушающего инструмента и его поломкам.
4. Расчет и определение параметров надшарошечного утяжелителя
Анализ различных ударных систем, выполненных в результате обобщения литературной информации, позволили сделать вывод о том, что в плане рабочей доступности и перспективности наиболее оптимальным вариантом является использование утяжелителей скользящего типа, свободно расположенных на бурильной колонне и опирающихся на долото. В основе данной идеи лежит тезис о том, что если тело с большей массой наносит упругий удар по телу с меньшей массой, то последнее отскочит от него со скоростью большей, чем скорость соударения.[1]
Рисунок 1 – Расчетная схема ударной системы
Следовательно, если комплект состоит из нескольких тел с постоянно уменьшающейся массой, то сообщив наиболее тяжелому из них какую-то скорость, можно получить на выходе этой системы еще большее увеличение скорости, т.е. тело с наименьшей массой получит скорость, значительно превышающую начальную.
Допустим, что тело m2 (рис. 1) движется с начальной скоростью V02, и наносит удар по телу m1, которое двигалось с начальной скоростью V01. При этом m2>m1; V02>V01. После соударения тело m2 станет двигаться со скоростью V2, а тело m1 – со скоростью V1.
При V01=0, т.е. при неподвижном теле m1:
Выигрыш в скорости для тела m1 равен:
При одинаковом соотношении масс и количестве соударяющихся элементов, равном n – суммарный выигрыш в скорости выразится зависимостью:
Обозначив mi/m1=Km, получим:
а
Суммарная масса всего комплекта (M):
Из выше приведенного следует, что с увеличением соотношения соударяющихся масс возрастает и выигрыш в скорости. Однако, исходя из того, что суммарная масса комплекта (M) ограничена, а масса первого (наиболее легкого) элемента (m1) не должна быть меньше массы долота, можно предположить наличие оптимального количества элементов, при котором будет получен наибольший выигрыш в скорости. Это объясняется тем, что при увеличении количества секций будет уменьшаться соотношение соударяющихся масс (Km), а, следовательно, и единичный выигрыш в скорости (Kv). При уменьшении количества секций коэффициенты Km и Kv будут возрастать, при одновременном уменьшении показателя степени.
Основная задача, которую необходимо решить заключается в подборе наиболее выгодно сочетания компоновки секций и их масс в системе, при которых будет достигаться максимальная динамичность воздействия долота на породу.
В качестве исходных данных служат параметры:
- Масса первого утяжелителя;
- Наружный и внутренний диаметры утяжелителей подвижно установленных на колонне бурильных труб;
- Плотность материала утяжелителей;
- Максимальная масса комплекта утяжелителей;
- Длина гладкой части бурильной трубы.
Порядок выполнения:
- Пользуясь справочником, определяем массу долота;
- Принимаем массу первой секции от долота;
- Задаемся ограничениями по суммарной массе утяжелителей и длине бурильной трубы;
- Выбираем плотность материала утяжелителей;
- Вводим эти данные в ЭВМ;
- Вводя в ЭВМ различные значения коэффициента соотношения масс, подбираем оптимальный, при котором выигрыш в скорости получается наибольшим.
Можно также решить задачу, позволяющую одновременно определить длину и массу каждой секции.
5. Экспериментальные исследования
Для проведения исследований разработан экспериментальный стенд, для размещения и привода объекта исследований, и измерительный стенд для регистрации и оперативного измерения данных.
В качестве объекта исследований использована физическая модель снаряда в виде набора утяжелителей и наковальня, создающая и воспринимающая ударные нагрузки.
Для измерения скорости перемещения утяжелителей разработаны индукционные датчики в виде магнитного сердечника и проволочной катушки. При перемещении магнитного сердечника вдоль катушки, в обмотках последней возбуждается Э.Д.С. индукции, которая фиксировалась с помощью аналогового цифрового преобразователя (АЦП) Во избежание погрешностей, связанных с магнитным полем катушки расположены в немагнитном неметаллическом основании.
Тарировка датчиков скорости проводилась на специальном тарировочном стенде. Изменение скорости вращения кривошипа и, следовательно, скорости перемещения магнитного сердечника, связанного с шатуном посредством тяги, осуществлялось вариатором скорости. Число оборотов вала кривошипа через прерыватель фиксировалось счетчиком. Катушка датчиков скорости жестко фиксировалась хомутом.
При обработке осциллограмм скорость перемещения магнитного сердечника определялась по методике, изложенной в работе [4]
где Mv - масштаб скорости для осциллограммы,м/(мм*с);
S - ход магнитного сердечника, м;
Fос - площадь осциллограммы, заключенная между осью абсцисс и линией, описывающей скорость клапана (плунжерного сердечника) на заданном пути, мм2;
Mt - масштаб времени для осциллограммы, с/мм
h - высота осциллограммы, мм.
Рисунок 6.1 – Стенд для тарировки датчиков скорости
1 – корпус; 2 – проволочная катушка; 3 – тумблер; 4 – магнитный сердечник; 5 – кривошипно-шатунный механизм; 6 – вариатор скорости; 7 – электродвигатель
Структура АЦП и схема поступления и отражения на экране измеренных данных показана на рис. 6.2.
Рисунок 6.2 – Измерительно-регистрирующая схема стенда
Электрический сигнал, поступающий от датчиков по соответствующим проволочным выводам на плату аналогового цифрового преобразователя (АЦП), вставленную в персональный компьютер, преобразуется в цифровой сигнал, который с помощью программы обработки данных обеспечивает получение графического изображение процесса и оперативное измерение данных наблюдения. В общем случае, модуль АЦП позволяет измерять значения напряжения (или тока) по 32 каналам в произвольном порядке с электронным переключением коэффициента усиления и с гальванической развязкой от электрических цепей компьютера. Осуществлять программный ввод-вывод по 24 не развязанным линиям. Осуществлять автоматический режим работы модуля: информация о номере включаемого канала и коэффициенте усиления берется из предварительно запрограммированной области ОЗУ модуля. По сигналам установленного на плате таймера осуществляется запуск преобразования АЦП с заданным интервалом. После осуществления заданного числа измерений чтение результатов возможно после обнаружения сигнала готовности с платы, либо обрабатывая сигнал прерывания. Информацию из ОЗУ по сигналам запуска от таймера в таком режиме можно выводить либо в регистр АЦП (номер канала, коэффициент усиления, режим одно - двуполярный), либо на ЦАП, либо на цифровой вывод. В двух последних случаях АЦП будет производить измерения по последним установкам номера канала и усиления, а результат измерения будет также заноситься в ОЗУ.
Программное обеспечение АЦП дополнено возможностью автоматического ввода в память прецизионного модуля АЦП данных тарировки датчиков скорости с дальнейшим использованием их для определения фактически измеренных величин скорости движения утяжелителей.
При подготовке к эксперименту в соответствии с расчетами уточнялась масса каждого утяжелителя при помощи весов.
Для оценки однородности результатов эксперимента и исключения грубых ошибок при нормальном законе распределения случайных величин использовался стандарт СТ.545-77 Правила оценки аномальных результатов наблюдений
…
Необходимое количество измерений для достижения требуемой точности и надежности, при известной по данным предварительных опытов среднеквадратичной ошибке измерений определялась по формуле:
где σ — требуемая точность;
t(α) — коэффициент, зависящий от заданной доверительной вероятности, определяемый по таблицам;
Sa — среднеквадратичная ошибка измерений, определенная по данным предварительных опытов.
Величина погрешности ошибок результатов измерений произведена методом, изложенным в работе [5].
Согласно теории ошибок, погрешность прямых измерений при условии линейной зависимости измерений от чувствительности датчика прибора определяется как среднее квадратичное из значений погрешностей всех элементов.
где εi — максимальная погрешность каждого звена;
n - число измерений.
Ошибка отсчета времени отметчиком оптико-механического линующего типа (εов), входящим в комплект осциллографа, находилась из выражения:
где εот — ошибка отметчика времени;
εиз — ошибка измерения отрезков времени;
Ошибка отметчика времени обусловлена колебаниями напряжения источника питания и составляет 1 — 1.5%. Ошибка при замере отрезков отметок времени штангенциркулем равнялась 0.5%. Таким образом, предельная ошибка измерения составляла не более 1.6%.
Погрешность измерения линейных величин определялась по формуле:
где mи — цена деления инструмента;
M — кратность измерения при обработке осциллограмм;
L — длина отрезка.
Аналогично определялась погрешность измерения всех остальных параметров, полученных экспериментальным путем
Число повторных измерений составляет 5 – 6. Поэтому, в ходе проведения эксперимента, обработка данных выполнялась по 6-7 регистрациям исследуемых параметров.
Заключение
В целом разработанная компоновка низа бурильной колонны выгодно отличается от используемых конструкций. При соблюдении параметров назначения, компоновка имеет более высокие эксплуатационные и эргономические показатели бурения. Конструкция бурового снаряда практически исключает необходимость применения более сложных снарядов использующих в качестве генератора колебаний энергию промывочной жидкости, либо энергию сжатого воздуха, также нет необходимости в УБТ повышенной массы.
Список источников
- Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчет ударных систем. - М.: Наука, 1969. - 199с.Moore E.F. Gedanken-experiments on sequential machines / E.F. Moore // Automata studies, Annals of mathematical studies. – 1956. – vol. 34. – pp. 129-153.
- Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. - М.: ООО
Недра-бизнессцентр
. - 2003. - 1007с. - Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука 1974. – 304 с.
- Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками. - М.: Недра 1967. - 160с.
- Тимошенко Г.М., Зима П.Ф. Теория инжинерного эксперимента. - Донецк: ДПИ 1987. - 64с.