Стендовые исследования механики бурильных колонн при вращательном бурении

Анализ опыта бурения, в первую очередь применительно к глубоким скважинам, показывает, что не только высокие показатели бурения, но и возможность проходки скважины до проектной глубины зависит, прежде всего, от состояния системы «колонна - скважина».

Стендовые испытания показывают, что влияние параметров системы «колонна - скважина» на показатели бурения - механическую скорость, проходку за рейс, износ коронки, выход керна, затраты мощности на бурение, вид и интенсивность износа колонны определяются кинематикой реализуемого в данной системе варианта движения бурильной колонны, зависящего, в свою очередь, от радиального зазора между колонной и стенкой, жесткости бурильной колонны, ее кривизны, несоосности в соединениях, коэффициента скольжения на контакте колонна-скважина, осевого усилия, частоты вращения. Следовательно, для проектирования оптимальных буровых систем необходимо знание кинематики движения бурильных колонн, определение областей устойчивости различных видов движения в пространстве, параметров системы «колонна - скважина» и условий нагружения бурильной колонны.

Основные закономерности движения бурильных колонн установлены в результате проведенных стендовых исследований с применением современных средств измерения. Наиболее значимые стендовые исследования проведены в 1970-1990 г.г. в Казахском институте минерального сырья (Ф. А. Бобылев, И.Н. Сграбыкин), в Всесоюзном институте техники разведки (В.Н. Алексеев) и Московском геологоразведочном институте (К. А. Боголюбский, В. П. Зиненко, Г. К. Аладинская, Г. А. Воробьев, Б. А. Новожилов и др.).

Ф. А. Бобылевым и И. Н. Страбыкиным были проведены исследования работы бурильной колонны на вертикальном стенде. Длина бурового вала в рассматриваемой модели достигала 16 м. Исследовались стандартные бурильные трубы диаметром 24 мм, твердосплавные коронки диаметром 33,5 мм и алмазные коронки диаметром 46 мм. Изменение частоты вращения колонны производилось ступенчато в диапазоне 138-625 мин осевая нагрузка достигала 400 даН. Для записи характеристик движения бурового инструмента применялась система фотодиодов, размещенных в требуемом сечении скважины, колебания осевого усилия на забое скважины измеряли с помощью тензодатчиков, а крутильные колебания - двумя тахометрами.

Тензодатчик (от лат. tensus - напряженный, натянутый) - преобразователь деформации твердых тел в электрических сигнал. Работа тензодатчика основана на свойстве металлических проволоки или фольги при деформировании (растяжение или сжатие) изменять свое электрическое сопротивление.

Конструктивно тензодатчик представляет совой решетку из проволоки (сплавы на основе никеля и молибдена, нихром и др.) или фольги, которая приклеивается (приваривается) к поверхности исследуемой детали.

Тахометр (от греч. tachos - быстрота, скорость) - прибор для измерений частоты вращения деталей машин и механизмов. Различают тахометры электромагнитные, часовые, вибрационные и др.

Параметры движения колонны записывали при различных условиях работы системы: изменяли осевую нагрузку, частоту вращения, породу, углы встречи контактов в породе с инструментом, коэффициент трения скольжения между колонной и стенками скважины и др.

Обработка результатов измерений и визуальных наблюдений позволила сделать ряд выводов.

1. При бурении относительно изотропных пород (гранит, мрамор) твердосплавными или алмазными коронками характер движения бурового инструмента неупорядочен. Нет четко выраженных круговых обращений, также нет чистого движения вокруг собственной изогнутой оси. Для каждого сечения характерно свое движение вокруг какого-то мгновенного центра. Авторы отмечают, что такое движение бурового инструмента возникает под действием центробежных сил неуравновешенных масс, которые произвольно распределены по его длине.

При хаотичном движении нет четко выраженной формы изгиба бурильного вала. Поперечные колебания, как правило, сопровождаются продольными колебаниями бурового инструмента, что связано с неравномерной передачей осевой нагрузки на забой скважины.

Рассмотренное произвольное движение бурового инструмента происходит в широком диапазоне осевых нагрузок, изменяющихся от 0 до 150-200 даН.

  • 2. При дальнейшем повышении осевой нагрузки колебания постепенно гасятся, их амплитуда уменьшается, а движение колонны упорядочивается, приближаясь по своей форме к движению вокруг собственной оси. При нагрузках 300 даН и более последний вид движения становится единственно возможным, а форма изгиба - пространственно изогнутой. При такой форме изгиба наблюдается почти непрерывное соприкосновение колонны со стенкой скважины. Важная особенность движения вокруг собственной изогнутой оси заключается в том, что при изменении осевой нагрузки плоскость изгиба смещается в сторону вращения бурильной колонны. Отмеченное при экспериментах смещение происходило в пределах 30-90 .
  • 3. При смазке бурильной колонны нигролом (коэффициент трения 0,17) диапазон осевых нагрузок, при которых возможно прямое окружное движение, расширился до 700 даН. При увеличении указанного коэффициента до 0,73 путем смазки трущихся поверхностей канифолью, в интервале осевых нагрузок 0-400 даН происходит обратное окружное движение компоновки с частотой, близкой к задаваемой частоте вращения.

Кроме того, отмечены колебания осевой нагрузки и частоты вращения на забое скважины, причем амплитуда колебаний падает по мере увеличения расстояния от забоя.

Ф. А. Бобылевым и И. Н. Страбыкиным позднее были проведены исследования на стенде иной конструкции: на 24-метровой буровой вышке в вертикальном положении была жестко закреплена колонна обсадных труб диаметром 127 мм и длиной 9,5 м, в которой размещалась бурильная колонна длиной 15 м и диаметром 50 мм. Верхний конец бурильной колонны был закреплен в радиально-упорном подшипнике, а нижний - в шпинделе бурового станка ЗИФ-650А, с помощью которого на колонну передавалась осевая нагрузка в диапазоне 0-3 000 даН и вращение с частотой 33, 72, 128, 218 мин-1.

Статические и динамические нагрузки, развиваемые бурильной колонной, время их действия записывались на ленте осциллографа с помощью магнитоупругих датчиков и электронной аппаратуры. Одновременно чувствительным ваттметром фиксировались затраты мощности, расходуемой на вращение колонны. В обсадных трубах были прорезаны окна, позволяющие вести визуальные наблюдения за поведением колонны и одновременно служащие для размещения датчиков.

Основные виды движения колонны, полученные в условиях эксперимента, и показания осциллограмм даны на рис. 3.3.

Проведенные эксперименты показали следующее:

  • 1. В процессе передачи крутящего момента бурильная колонна одновременно вращается и обращается (т. е. наблюдается прецессия). Обращение изогнутой оси колонны может происходить в направлении собственного вращения и обратном вращению.
  • 2. Скорость прямого обращения изогнутой колонны может изменяться от нуля до частоты вращения, передающей крутящий момент, в зависимости от внешних сил.
  • 3. При увеличении коэффициента трения между колонной и стенкой скважины возникает обращение в направлении, обратном вращению колонны, при уменьшении коэффициента трения - прямое обращение с задаваемой частотой вращения.
  • 4. Изменение радиального зазора качественно не меняет характера движения бурильной колонны, но отражается на его устойчивости.

Исследования кинематических характеристик движения бурильных колонн проводилось и в условиях горизонтального стенда.

К. А. Боголюбским, В. П. Зиненко, С. В. Пенкевичем и другими установлено, что вероятность возбуждения обратной прецессии (качение) возрастает с уменьшением кривизны бурильной колонны и радиального зазора.

Исследованием поведения колонны на модели занимался В.И. Алексеев. Модель представляла собой стеклянную трубу с вращаемым упругим резиновым валом. Труба заполнялась различными по своим свойствам жидкостями.

Виды движения бурильной колонны, полученные при проведении экспериментальных исследований на вертикальном стенде

Рис. 3.3. Виды движения бурильной колонны, полученные при проведении экспериментальных исследований на вертикальном стенде:

I - движение колонны вокруг оси скважины; II - движение колонны вокруг оси скважины с одновременным вращением вокруг собственной изогнутой оси; III - движение колонны вокруг собственной изогнутой оси; IV - качение колонны по стенке скважины; V - вибрационно-ударный режим вращения колонны; на осциллограммах показы графики силового давления колонны на стенку скважины при различных видах движения колонны; продольная линия показывает уровень силового давления,

равного 13 даН

Опыты показали, что возбуждение качения колонны наиболее вероятно в системах с большим радиальным зазором, при увеличении частоты вращения, осевой сжимающей силы и коэффициента трения. Позднее В.Н. Алексеевым были проведены исследования поведения бурильной колонны на стенде. Данный стенд позволял исследовать работу колонны при использовании промывочных жидкостей с различной динамической вязкостью: машинное масло, эмульсия, вода. Скважина имитировалась обсадной вертикальной колонной длиной 32 м. Частота вращения колонны изменялась в диапазоне 0- 1 500 мин с помощью бурового станка, оснащенного плавно регулируемым приводом в верхней части стенда. Осевая нагрузка поддерживалась в пределах 500-2 000 даН.

При проведении экспериментов измерялся крутящий момент на вращение колонны, кроме того, регистрировался характер движения колонны с помощью тензодатчиков.

Исследования В. Н. Алексеева показали следующее:

  • 1. При отсутствии промывочной жидкости в затрубном пространстве и смазки труб единственным устойчивым видом движения является качение колонны в скважине. Если при этом колонна сжата осевой нагрузкой до образования спиральной формы равновесия, то качение начинается с нуля при медленном наборе оборотов вращения и при ее непрерывном контакте со стенкой скважины. В случае, если колонна сжата осевой силой недостаточно, вначале могут установиться другие стационарные движения, например, вращение вокруг оси скважины Ф| или вокруг собственной изогнутой оси Ф2. Очаг возбуждения качения колонны, сжатой осевой нагрузкой или собственным весом, располагается, как правило, в нижней части колонны, где силы прижатия ее к стенкам скважины максимальны. Вероятность возбуждения качения колонны понижается при использовании промывочной жидкости либо смазки.
  • 2. Устойчивость видов движения Ф| и Ф2 расширяется с уменьшением радиального зазора и увеличением жесткости бурильных труб.

Наиболее полные и современные по оснащенности исследования выполнены на Загорском полигоне МГРИ на горизонтальном стенде длиной 50 м (рис. 3.4). Стенд был оборудован станком СБА-500 с системой плавного регулирования частоты вращения. В процессе экспериментов фиксировался ряд параметров, а поведение колонны исследовалось путем расшифровки изображений на фотопленке, полученной при скоростной съемке под углом

Схема стенда Загорского полигона МГРИ

Рис. 3.4. Схема стенда Загорского полигона МГРИ: а - схема съемки движения горизонтального сечения бурильной колонны; б - схема съемки движения свободного конца бурильной колонны при холостом вращении; 1 - кинокамера СКС-1М-16; 2 - колонна труб, имитирующая скважину; 3 - бурильная колонна; 4 - буровой станок; 5 - блок породы; 6 - осветители вращающейся колонны кинокамерой типа СКС-1М-16 (до 4 000 кадров в секунду). Расшифровка изображений производилась по результатам перемещения метки, нанесенной на бурильную колонну, в пределах заданных координат (рис. 3.5).

Основные результаты исследований особенностей движения бурильной колонны, выявленные на горизонтальном стенде, сводятся к следующему.

  • 1. Режим движения бурильной колонны определяется возмущением за счет взаимодействия колонны со стенкой скважины и распределенной по длине неуравновешенности колонны.
  • 2. При малых частотах вращения в скважинах с большим зенитным углом колонна совершает накатывание на стенку скважины со срывом. Основные действующие силы при этом - вес и трение.
Схема обработки результатов киносъемки

Рис. 3.5. Схема обработки результатов киносъемки:

1 - скважина; 2 - бурильная колонна; 3 - метка на колонне

При увеличении частоты вращения колонна движется в режиме прямой прецессии при непрерывном контакте со стенкой скважины. По мере повышения частоты вращения растет возмущение первоначально

установившегося движения за счет сил трения, прямая прецессия теряет устойчивость и возникает виброударный режим движения бурильной колонны. При дальнейшем повышении частоты вращения возникает новый режим вращения колонны - обратная прецессия, который и сохраняется при дальнейшем увеличении частоты вращения колонны.

  • 3. Границы возбуждения различных видов движения бурильной колонны по оси частоты вращения зависят от параметров системы «колонна - скважина», при этом отмечена лишь следующая тенденция: сдвиг границы возбуждения обратной прецессии в сторону увеличения частот вращения при уменьшении коэффициента трения.
  • 4. Увеличение осевой нагрузки сдвигает границу возбуждения обратной прецессии в область меньших частот вращения, влияние осевой нагрузки на режим работы бурильной колонны растет по мере увеличения радиального зазора.
  • 5. Основной недостаток бурильных колонн с начальными

несовершенствами (кривизна и несоосность соединений) - возбуждение качения бурильной колонны при сравнительно невысоких частотах вращения.

6. Сжатую зону бурильной колонны необходимо комплектовать весьма

прямолинейными бурильными трубами с минимальной угловой

несоосностью, с обеспечением определенной величины эксцентриситета

Схема забойного устройства горизонтального стенда Загорского полигона

Рис. 3.6. Схема забойного устройства горизонтального стенда Загорского полигона:

  • 1 - направляющий элемент; 2 - центрирующий палец; 3 - зажимные болты; 4, 11 — плашки для крепления керна; 5 - корпус; 6,9 - тензодатчики;
  • 7 - деформирующая муфта; 8 - «скважина»; 10 - колонковая труба; 12 - керн;
  • 13 - коронка; 14 - шланг для отвода промывочной жидкости

центра инерции сечения относительно геометрического центра при создании минимально возможного радиального зазора.

  • 7. Уменьшение коэффициента трения до определенного предела гарантирует невозбуждение обратной прецессии колонны.
  • 8. Увеличение эксцентриситета центра инерции сечений является возможным методом борьбы с возбуждением качения снаряда.
  • 9. Выделяются два различных типа систем «колонна - скважина»:
    • - системы с очень низким коэффициентом трения - системы, допускающие применение антивибрационных смазок, для которых оптимальным является использование труб с минимальным эксцентриситетом центра инерции;
    • - системы с высоким коэффициентом трения, для которых оптимальным является использование труб с максимально возможным смещением эксцентриситета центра инерции сечения.

Одним из составляющих элементов экспериментальных работ на горизонтальном стенде Загорского полигона МГРИ являлось исследование поведения алмазной коронки при различных видах движения колонны.

Для измерения осевой нагрузки на забое скважины-стенда применялось специальное устройство (рис. 3.6), состоящее из корпуса с плашками для закрепления образца керна диаметром 130 мм и центрирующего приспособления. Забойное устройство через муфту жестко крепилось к колонне труб, имитирующих скважину. При разбуривании керна осевая нагрузка на коронку вызывала растяжение муфты пропорционально нагрузке.

Деформация измерялась с помощью тензодатчиков, наклеенных на тело муфты по полумостовой изгибно-компенсационной схеме. В качестве усилителя сигнала использовался тензоусилитель ТА-5.

Исследования позволили выявить следующее:

  • 1. Потери осевой нагрузки отмечаются только при работе колонны в режиме качения. При других видах движения потери осевой нагрузки или незначительны, или практически отсутствуют.
  • 2. Потери осевой нагрузки растут с увеличением задаваемой осевой нагрузки, частоты вращения, радиального зазора, уменьшением жесткости бурильной колонны и коэффициента трения. В условиях высокого коэффициента трения потери нагрузки могут составить до 30 % от задаваемой.
  • 3. Большим значениям затрат мощности на вращение колонны соответствует и большая потеря осевой нагрузки.

В последующем на стенде с забойным устройством, показанном на рис. 3.6, были проведены исследования поведения алмазной коронки с помощью скоростной киносъемки. Для этого вместо керна породы в забойное устройство устанавливали блок оптического прозрачного стекла, а поведение коронки, вынос шлама из-под торца коронки и работу алмазных резцов изучали с помощью скоростной киносъемки. Результаты этих исследований будут кратко изложены в следующем параграфе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >