Аннотация
В статье рассмотрены основные вопросы моделирования вибраций и колебаний бурильнной колонны, взаимосвязь бурильной колонны и КНБК со стенками скважины при различных усилиях
Типы вибраций:
Колебания бурильной колонны разделены на три типа, или режима: осевое, крутильное и боковое (Рис.1). Деструктивный характер каждого типа вибрации отличается. Осевые колебания могут привести к удару бура, который может повредить шарошки бура и подшипники.
Крутильные колебания могут привести к неравномерности вращения и остановки бурения скважины. Прихват/скольжение частое явление во время бурения, которое сопровождается тяжелой формой крутильных колебаний бурильной колонны, при которой колонна становится неподвижной в течение периода. При скольжении во время бурения бурильная колонна принимает тяжелую форму крутильных колебаний, при которой бурение замедляется. При нагрузки снаряда прихват/скольжение увеличивается, длина снаряда больше углубляется и бурение замедляется, при вращательных ускорениях снаряд освобождается (рис. 2). Крутильные колебания вызывают усталость металла в резьбовых соединениях, что может привести к повреждению бура. Использование забойных двигателей может помочь в решении прихвата/скольжения. Бурильная колонна и КНБК над двигателем может войти в движение прихвата/скольжения даже когда двигатель вращается с буром с постоянной скоростью.
Рис. 1 – Колебания бурильной колонны.
Рис. 2 – Частоты крутильных колебаний.
Боковые колебания являются самым разрушительным типом вибрации, и может создавать большие изгибающие усилия, при которых происходит касание КНБК со стенкой скважины. Взаимодействие между КНБК и бурильной колонны их контактных точек, может в определенных обстоятельствах, привести к обратному движению снаряда. Обратное движение является наиболее тяжелой формой вибрации, которая создает большие высокочастотные колебания изгибающего момента, которое приводит к усталости соединений. Дисбаланс в сборке вызовет центробежный индуцированный перекос бурильной колонны, который может привести к обратному вихрю и к одностороннему износу компонентов (рис. 3).
Рис. 3 – Боковые колебания бурильной колонны.
Колебания всех трех типов (осевые, крутильные и боковые) может произойти во время вращательного бурения. Индуцированное осевое колебание на бур может привести к боковым колебаниям в КНБК, и осевых и крутильных колебаний, наблюдаемых на полу буровой установки может на самом деле быть связаны с серьезными боковыми колебаниями скважины вблизи долота. В других случаях, тяжелые осевые колебания возле бура не могут оказаться без видимых колебаний на поверхности. Осевые и боковые колебания являются более сильными в вертикальных или наклонных скважинах, а смещения и изгибающие моменты, из-за боковых вибраций повышают как отношение размера отверстия в КНБК, так и увеличивают размер скважины.
Собственные частоты и резонансы
Природные частоты, частоты при которой структура любит двигаться и вибрировать. Каждая собственная частота имеет определенную форму колебаний (рис. 4). Если структура возбуждается на одной из его собственных частот, то резонанс встречается и с большей амплитудой колебаний Наибольшие сдвиги амплитуды, как правило, происходят на первой (фундаментальной) частоте собственных колебаний.
Рис. 4 – Различные формы колебаний.
Источники возбуждения
Бурильная колонна вибрирует в результате нагрузки или смещения возбуждений применяемых в различных местах и при различных частотах. Существует широкий спектр потенциальных источников возбуждения: масса дисбаланса, смещение и перегиб, резанье действующего бура, стабилизатор (особенно если они являются прямыми), двигатели (биения, ротора в Статор), и коэффициент трения между бурильной колонной и стенкой ствола скважины.
Моделирование вибрации
Есть два основных типа моделей вибрации: в частотной области и во временной области. Модели частотной области, таких как AV модели Шлюмберже BH, быстро работают. Статическая модель используется для вычисления КНБК точки соприкосновения, и эта информация используется для вычисления собственных частот бурильной колонны и КНБК.
Пользователю предлагается выбрать источники возбуждения ожидаемые (например, дисбаланс и разрядных лопаток) и критических значение оборотов в минуту, рассчитывается для каждого источника. Критическое значение оборотов в минуту является скорость поверхности вращения, при которой частота источника возбуждения, как ожидается, совпадают с собственными частотами КНБК. Взаимодействие между бурильной колонной и стенкой ствола скважины, не принимается во внимание.
Временные области (переходные) модели, такие как модель Шлюмберже BHATV, требуют более интенсивных вычислений и, обычно, при вычислении бурения вперед во времени и моделирование взаимодействия между бурильной колонной и стенкой ствола скважины. Позволяет модели захватить механизмы, такие, как прямое и обратное вращение, и обеспечить лучшее представление о возбуждении из-за вращения изгибов и изломов и нутации двигателя грязи.
Ограничение моделирования
Важно иметь в виду, что модели вибрации требует данные, которые обычно неизвестны или не доступны в режиме реального времени, в том числе свойств пласта и неоднородности, КНБК компонента дисбаланса и ориентации, КНБК смещение (изогнутые хомуты), скважинного затухания и коэффициент трения в контактные точки (переходные модели). Модели также чувствительны к диаметру отверстия или стабилизатора.
По этим причинам, модели являются наиболее мощными, когда используются для сравнения чувствительности различных вариантов КНБК вибрации, и их точность повышается при калибровке с использованием смещения также информацией и опытом. Из-за целого ряда факторов, которые влияют на модели вибрации, модели следует рассматривать в качестве руководящих принципов и использовать в сочетании с измерениями в режиме реального времени.
Краткое изложение
Модели вибрации являются ценным инструментом в рамках инженерного анализа, моделирования, ударных и вибрационных измерений в режиме реального времени и анализа моделирования.