МОМЕНТ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ДОЛОТЕ

G - осевая нагрузка; F_OT - отклоняющая сила; W₃ - реакция забоя; -реакция стенок скважины;  - зенитный угол;  - угол между осями скважины и долота; - угол перекоса осей секций двигателя

Поскольку  и tg   обратно пропорциональны длине ниж­него плеча L_H, при конструировании двигателей-отклонителей ее стремятся уменьшить. При заданных геометрических пара­метрах двигателя (D, ) это обеспечивает максимальную интен­сивность искривления ствола скважины. При заданной откло­няющей силе на долоте (  = idem) уменьшение L_H позволяет вести бурение двигателями с меньшими углами перекоса корпу­са .

Момент упругих сил определяется с учетом жесткости стенок скважины и корпуса гидродвигателя, осевой нагрузки и зенитно­го угла. Методика расчета М_у представлена в [109].

При ориентировочных расчетах можно допустить, что стенки скважины и корпуса секций ВЗД являются абсолютно жесткими телами, и принять, что М_у соответствует максимальному момен­ту упругих сил:

                                                                                           (6.50)

где  - предел текучести материала искривленного корпуса (кривого переводника);  - момент сопротивления сечения из­гибу.

В качестве примера оценим уровень отклоняющей силы и составляющих мо­мента сил сопротивления при бурении скважины трехшарошечным долотом (  = 215,9 мм) в породах средней твердости (М_уд = 10 Нм/кН) гидродвига­телем с наружным диаметром корпуса  = 172 мм с осевой нагрузкой на доло­то G = 50 кН. Нижнее плечо отклонителя L_H = 2,5 м, толщина стенки искрив­ленного корпуса  = 20 мм, предел текучести материала = 320 МПа, коэффи­циент трения долота о стенку скважины f= 0,3. Весом шпинделя и долота пре­небрегаем.

Внутренний диаметр корпуса

= 132 мм.

Момент сопротивления изгибу

=326,3

Момент упругих сил

 = 104,4 кНм.

Отклоняющая сила

=41.7 кН.

 Радиальная и осевая составляющие момента сил сопротивления

= 1350 Нм;

= 490 Нм.

Таким образом, радиальная составляющая момента сил со­противления может превышать осевую составляющую, пропор­циональную G. Следовательно, отклоняющая сила на долоте, сопоставимая с осевой нагрузкой, наряду с последней является основным силовым фактором, определяющим момент сил со­противления долота при бурении наклонно направленных сква­жин.

Отклоняющая сила должна быть достаточной для фрезеро­вания стенки скважины, но вместе с тем не превышать критиче­ского значения, при котором прогиб забойного двигателя пре­пятствует заданному искривлению ствола скважины или затруд­няется пуск ВЗД. Из практики бурения известно, что на на­клонных участках профиля скважины пуск гидродвигателя затрудняется, особенно если шпиндель оснащен резинометалли-ческой пятой. Иногда гидродвигатель, испытанный на устье скважины, вследствие возникающих радиальных сил не удается запустить на забое. Без расчета F_ОТ проектирование отклоняю­щих компоновок, выбор нагрузки на долото в соответствии с за­данным крутящим моментом ВЗД и косвенный контроль М в процессе бурения не представляются возможными. В связи с этим для успешной эксплуатации ВЗД при бурении наклонно на­правленных и горизонтальных скважин целесообразно постро­ить нагрузочные характеристики системы гидродвигатель - до­лото - скважина.

НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

При проводке скважин с использованием ВЗД, так же как и в турбинном бурении, параметры режима бурения (осевая нагруз­ка G, частота вращения долота п и расход бурого раствора Q) взаимозависимы. Взаимосвязь параметров режима бурения опи­сывается нагрузочными (комплексными) характеристиками сис­темы ВЗД - долото - скважина, представляющими зависимости угловой скорости  и перепада давления Р гидродвигателя от осевой нагрузки при различном расходе жидкости

= f(G,Q);  P = f(G,Q).                                                                              (6.51)

Необходимость исследования нагрузочных характеристик сис­темы связана с тем, что в процессе бурения в большинстве слу­чаев известна (с той или иной степенью достоверности) нагрузка на долото, а не крутящий момент М на валу гидродвигателя, по­этому стендовые (паспортные) механическая и гидромеханиче­ская характеристики ВЗД

= f(М,Q);  P = f(M, Q)                                                                           (6.52)

непосредственно не могут использоваться для идентификации ре­жима бурения, особенно при проводке наклонных горизонталь­ных скважин.

Заметим также, что крутящий момент гидродвигателя не вхо­дит в состав показателей геолого-технического наряда на строи­тельство скважины.

Для построения нагрузочных характеристик системы помимо стендовых моментных характеристик ВЗД (6.52) требуются за­висимости момента сил сопротивления вращению долота от осе­вой нагрузки с учетом действия отклоняющей силы на долоте F_0T, возникающей при бурении искривленных участков скважи­ны:

                                                                                             (6.53)

Стендовые характеристики ВЗД с достаточной степенью точ­ности описываются нелинейными зависимостями (6.5).

Рассмотрим гидродвигатель с осевой опорой качения, момен­том сил трения в которой можно пренебречь. В этом случае ха­рактеристики ВЗД не зависят от соотношения между осевой гид­равлической силой ВЗД и осевой нагрузкой на долото и остают­ся постоянными при любых условиях нагружения.

Момент сил сопротивления в общем случае можно предста­вить как сумму трех составляющих (6.43).

Динамическая составляющая момента особенно заметна при бурении шарошечным долотом по ухабистому забою. Известно, что ухабообразный забой возникает при автоколебательном про­цессе в системе забой - долото - бурильная колонна. При этом гидродвигатель расходует дополнительную мощность на поддер­жание колебаний в системе. Амплитудно-частотная характери­стика (АЧХ) системы зависит от ее параметров и имеет, как пра­вило, экспериментальный характер [77]. Фактическая АЧХ мо­жет быть получена только экспериментальным путем. При расче­тах можно принять, что АЧХ - симметричная гармоническая функция (рис. 6.20), построенная в относительных координа­тах:

                                                                  (6.54)

где а - амплитуда функции относительного динамического мо­мента ;  - разгонная угловая скорость ВЗД (индекс).

В конечном счете нагрузочные характеристики системы ВЗД - долото - скважина в установившемся режиме (М = М_с) приобретают вид:

Рис. 6.20. Амплитудно-частот­ные характеристики системы ВЗД - долото –скважина

                                                                                     (6.55)

                                                                                                              (6.56)

где т - относительный момент сил сопротивления,

Нагрузочные характеристики системы охватывают диапазон нагрузок от разгонной скорости ВЗД (G = 0) до полного тормо­жения (  = 0).

При разгонном режиме, когда долото не касается забоя сква­жины (G = 0), скорость и перепад давления ВЗД

                                                                                          (6.57)

при наличии отклоняющей силы на долоте (М 0) отличаются от соответствующих стендовых холостых значений (М = 0) и за­висят от относительного момента сил сопротивления вращению долота вследствие действия F_OT

Значение коэффициента  зависит от расхода жидкости (че­рез М_т = f(Q)) и отклоняющей силы, обусловленной моментом упругих сил в сечении изгиба отклонителя (корпуса ВЗД или кривого переводника).

Изменение скорости и перепада давления от  до  и от Р_х до Р₀ характеризует значение момента сил трения долота о стен­ки скважины Наиболее существенно, как показывают дальнейшие расчеты, различие разгонных и холостых перепа­дов давления, поэтому применяемый на практике способ управ­ления режимом работы ВЗД по разнице давления на стояке при нагруженном и разгруженном (G = 0) долоте на основе пас­портной стендовой характеристики ВЗД без учета действия от­клоняющей силы (как это, например, предлагается в [17, 62]) может привести к перегрузке гидродвигателя, что необходи­мо учитывать при бурении наклонных и горизонтальных сква­жин.

Тормозная осевая нагрузка, при которой происходит останов­ка гидродвигателя (  = 0), определяется из уравнения (6. 55):

.                                                                      (6.59)

Основные трудности при расчете нагрузочных характеристик связаны с определением зависимостей: F_0T = f(G, п); М_уд = f (G, п); f = f (n) для заданных геометрических параметров и жесткости отклонителя, бурильных труб, ствола скважины, а также свойств проходимых горных пород.

Отклоняющая сила на долоте, как одна их переменных упру­гой системы бурильная колонна - гидродвигатель - долото -скважина, определяется аналитически по одной из известных ме­тодик расчета (см. § 6.6). Моментоемкость долот различного ти­па (шарошечных, алмазных, лопастных) определяется экспери­ментально, причем в большинстве случаев М_уд и f принимаются не зависящими от частоты вращения долота [109].

Принимая данное допущение, рассчитаем нагрузочные харак­теристики системы ВЗД - долото - скважина при различном расходе жидкости для двух случаев бурения: вертикального уча­стка (F_OT = 0) и криволинейного участка при действии на долото отклоняющей силы.

Бурение ведется алмазным долотом диаметром D =214 мм,

гидродвигателем Д1-195 (V = 14 л; Показатели

нелинейности характеристик гидродвигателя, коэффициент дав­ления h и к.п.д. в предельных режимах принимаем не зависящи­ми от расхода (  = 3; =1,25; h = 4; =0,95; =0,4).

Принимаем также, что удельный момент на долоте, коэффици­ент трения долота о стенку скважины и отклоняющая сила не за­висят от осевой нагрузки и угловой скорости и составляют: М_уд = 24 Нм/кН; f = 0,4; F_ОТ = 25 кН. Плотность жидкости  =1100 кг/м³.

Рис. 6.21. Нагрузочные характеристики системы ВЗД - долото - скважина при различном расходе жидкости:

а, в - F_0T = 0; б, г- F_OT = 25 кН (а, 6 - при  = 0; в, г - при 0); 1 - Q = 25 л/с;2 - Q = 30 л/с;  3 - Q = 35 л/с

Характеристики строятся как с учетом динамической состав­ляющей момента (а = 0,25), так и для статического режима, ко­гда продольные колебания отсутствуют (а - 0).

Построенные характеристики (рис. 6.21) демонстрируют влияние расхода жидкости и осевой нагрузки на скорость и пе­репад давления забойного гидродвигателя и в первом приближе­нии могут использоваться при управлении режимом работы ВЗД в заданных условиях бурения.

Основные результаты расчета представлены в табл. 6.7, где приведены параметры холостого, разгонного и тормозного режи­мов ВЗД при бурении с отклоняющей силой на долоте.

Из представленных нагрузочных характеристик следует, что:

действие отклоняющей силы в целом не отражается на форме

характеристик, изменяются лишь параметры ВЗД в предельных режимах (см. рис. 6.21, а, б);

действие динамической составляющей момента искажает фор­му характеристик, не изменяя параметров предельных режимов (см. рис. 6.21, в, г), "деформация" нагрузочной характеристики, обусловленная влиянием М_дин, из-за изменения знака кривизны линии п - G может снизить устойчивость гидродвигателя к воз­мущающим воздействиям.

Таблица 6.7

Параметр	Q, л/с
	25	30	35
, об/мин	101,8	122,1	142,5
, об/мин	101,0	121,6	142,1
Рх, МПа	1,5	1,8	2,1
Ро, МПа,	2,1	2,4	2,7
GT, кН	180	225	270
, кНм	5,4	6,5	7,6
	0,20	0,17	0,14

Фактические нагрузочные характеристики системы будут несколько отли­чаться от расчетных, поскольку:

удельный момент, коэффициент трения и отклоняющая сила не остаются по­стоянными при изменении G и ;

удельный момент и показатели подобия характеристик ВЗД ( ) изме­няются в процессе долбления вследствие износа сооружения и опор долота и рабочих органов гидродвигателя;

динамическая составляющая момента описывается более сложной, чем (6.54) зависимостью.

Однако из-за сложности определения данных функциональных зависимо­стей уточнение расчетных характеристик затруднительно и требует дополни­тельной информации, для получения которой необходимо проведение сложных экспериментальных исследований в реальных условиях бурения.

Вместе с тем в последние годы с распространением телеметрических систем контроля (типа MWD) и автоматизированных систем управления процессом бу­рения [18] открываются более широкие возможности для получения уточненных характеристик процесса при различных условиях проводки скважины. Исполь­зование этих систем позволяет определять фактические нагрузочные характери­стики системы, в том числе и в реальном масштабе времени, и обоснованно под­ходить к выбору основных параметров режима бурения.

Представленная методика построения нагрузочных характери­стик системы ВЗД - долото - скважина с учетом влияния всех взаимосвязанных факторов может использоваться при управле­нии режимом работы ВЗД, в частности при оценке допустимого диапазона осевых нагрузок на долото G и выборе оптимальной нагрузки  для заданных условий бурения при известных ха­рактеристиках гидродвигателя, долота и скважины; при коррек­ции G и в процессе бурения; при оценке пусковых свойств гидродвигателя.

В отличие от имеющихся способов контроля параметров ре­жима бурения с помощью забойных измерительных устройств (§ 9.5), дорогостоящих и не всегда надежных, использование нагрузочных характеристик позволяет вести идентификацию режима бурения скважины, не прибегая к забойной информа­ции. При бурении относительно вертикальных участков сква­жин, когда G достаточно точно определяется по наземному ин­дикатору веса, частоту вращения можно рассчитать по характе­ристике  = f(G; Q). При бурении наклонно направленных и горизонтальных интервалов, когда определение осевой нагрузки на долото по наземным датчикам практически невозможно, ис­пользуются обе нагрузочные характеристики (651): сначала по характеристике Р = f(G; Q) и показаниям наземного датчика давления или манометра определяется G, а затем рассчитывается . Данный подход реализован в алгоритме управления ВЗД, АСУ режимом бурения РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина [18], (§ 9.5).

Экспериментальное исследование зависимости частоты вращения ВЗД диа­метром 172 мм от отклоняющей силы на долоте проведено В.А. Каплуном на буровом стенде Пермского филиала ВНИИБТ [110]. Отклоняющее усилие в процессе бурения создавалось специальной лебедкой посредством каната, закре­пленного за ниппель ВЗД, и замерялось динамометром. Исследования проводи­лись как при ненагруженном осевой силой долоте, так и при совместном дейст­вии G и F_0T. Эксперименты показали, что увеличение отклоняющей силы на до­лоте от 0 до 20 кН приводит к уменьшению частоты вращения двигателя не бо­лее чем на 5-7 %. Результаты экспериментов, проведенных в условиях, близких к реальным, свидетельствуют о незначительном влиянии отклоняющей силы на частоту вращения ВЗД, что подтверждает правомерность предложенной выше методики расчета нагрузочных характеристик ВЗД и подчеркивает преимущест­ва использования ВЗД в наклонно направленном бурении вследствие повышен­ной жесткости их характеристик п - М.

ПЕРЕХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Исследование переходных процессов при пуске или измене­нии установившегося режима гидродвигателя помимо теоретиче­ского имеет важное практическое значение. Переходные характе­ристики влияют на стойкость РО, осевой опоры и соединения ротора со шпинделем, определяют устойчивость работы ВЗД и колебательные процессы в бурильной колонне и гидравлической линии, что сказывается на технико-экономических и качествен­ных показателях бурения.

ВЗД является частью забойного исполнительного агрегата (ЗА), включающего также в свой состав долото и специальные звенья для ориентирования, телеметрии или создания нагрузки на забой. В свою очередь ЗА как отдельное звено входит в со­став сложной динамической системы (ДС), состоящей из механической и гидравлической подсистем. Гидравлическая подсис­тема состоит из бурового насоса и напорной линии (гидрокана­лов наземного манифольда, бурильной колонны, ЗА, кольцевого затрубного пространства). Механическая подсистема включает в себя барабан лебедки с механизмом подачи долота (ручным или автоматическим), талевый механизм, крюк, вертлюг, бу­рильную колонну с компоновкой ее низа, в том числе корпусную и роторную группы ВЗД.

    Процессы, происходящие в гидравлической и механической подсистемах, являются взаимосвязанными: при изменении на­грузки на долото меняется давление в напорной линии, а при из­менении подачи насоса (расхода жидкости) изменяются угловая скорость и крутящий момент ВЗД. Поскольку в процессе буре­ния перемещение колонны труб и подача поршневого насоса не­равномерны, статический режим работы ВЗД (G = idem; Q= idem) практически не встречается и является идеализацией. Состояние ДС определяется как ее внутренними автоколебатель­ными свойствами, обусловленными характеристиками поршнево­го насоса и долота, так и внешними возмущениями.

Внешние возмущения возникают при:

ручном регулировании расхода жидкости и нагрузки на доло­то в процессе бурения (изменение числа ходов насоса и скорости подачи верхнего конца бурильной колонны);

изменении твердости горных пород (переход долота в новой пропласток); зашламовании затрубного пространства напорной линии; изменении пространственного положения (формы спира­ли) бурильной колонны, потерявшей продольную устойчивость; изменении плотности бурового раствора;

износе рабочих органов гидродвигателя и долота

Особенность ДС состоит в том, что напорная магистраль и колонна бурильных труб являются протяженными звеньями с распределенными параметрами и описываются дифференциаль­ными уравнениями в частных производных. В этом смысле объ­емная гидропередача регулируемый буровой насос - нерегули­руемый забойный гидродвигатель является уникальной систе­мой, в которой силовой насос удален от гидродвигателя на не­сколько тысяч метров, а управляющие и возмущающие воздейст­вия передаются по волноводам с запаздыванием. Поэтому при исследовании динамических свойств ВЗД необходимо учитывать волновые процессы в гидроканале напорной линии и бурильной колонне.

Переходные характеристики ВЗД выражаются взаимосвязан­ными зависимостями угловой скорости и перепада давления от времени:

Первая зависимость является граничным условием гидравли­ческой подсистемы и выражает состояние потока жидкости в на­порной линии, вторая - определяет равномерность вращения гидродвигателя.

Если рассматривать роторную группу ВЗД как абсолютно твердое тело, равномерность вращения (уровень крутильных ко­лебаний) зависит от приведенного к выходному валу момента инерции J

                                                        (6.60)

где - постоянная времени гидродвигателя (см. § 6.10).

Определение переходных характеристик проводится на осно­ве: математического моделирования ДС; разработки алгоритмов и программ расчета; численного эксперимента при заданных па­раметрах системы и внешних возмущениях.

УСТОЙЧИВОСТЬ ВЗД

Устойчивость вращения ВЗД при нарушении его установив­шегося режима - одно из основных свойств, определяющих ра­ботоспособность гидромашины. Поскольку в процессе бурения режим работы забойного двигателя непрерывно изменяется (вследствие действия возмущений как гидравлического, так и механического происхождения), вопросы устойчивости ВЗД име­ют немаловажное значение.

Оценка устойчивости вращения может производиться статиче­скими и динамическими методами.

Статическая устойчивость ВЗД.В установившемся режиме работы крутящий момент гидродвигателя М уравновешивается моментом сил сопротивления М_с вращению долота. Механиче­ские характеристики ВЗД и долота считаются известными и вы­ражаются нелинейными степенными зависимостями:

                                                                                       (6.61)

                                                                                     (6.62)

где  - коэффициенты характеристик;  - показа­тели степени нелинейности.

Рис. 6.22. Механические характеристи­ки долота (  1/2):

Рис. 6.23. Совмещенные харак­теристики гидродвигателя и до­лота

М₀, b зависят от нагрузки на долото G, типа долота и горных пород.

В общем случае в зависимости от знака коэффициента b ме­ханическая характеристика долота  может быть (рис. 6.22):

падающей (с ростом частоты вращения при сохранении G мо­мент сил сопротивления скважин снижается); b < 0;

 нарастающей, b < 0;

независимой (М_с не зависит от ), b = 0.

Механические характеристики ВЗД при Q = idem всегда име­ют падающий вид, но форма кривых отличается по своей кри­визне.

Рабочий режим, соответствующий точке пересечения механи­ческих характеристик ВЗД и долота, определяется сочетанием Q и G.

Согласно общей теории автоматического регулирования гид­родвигатель обладает статической устойчивостью при условии [111]

                                                                                                (6.63)

или, другими словами, приращение момента ВЗД должно быть меньше приращения момента сил сопротивления на валу гидро­двигателя.

В неустойчивом режиме вращения любое отклонение приво­дит к появлению дестабилизирующего момента, в устойчивом -

при возмущениях возникает момент, стремящийся вернуть систе­му в исходное состояние.

Для характеристик (6.61), (6.62) условие статической устой­чивости (6.63) приводится к виду

                                                                          (6.64)

Так как то для обеспечения устойчиво­сти гидродвигателя достаточно, чтобы b > 0.

Следовательно, при нарастающей (b> 0) и независимой (b= 0) характеристиках долота гидродвигатель устойчив во всех режимах при любом виде его характеристики  - М.

При падающей (6 < 0) характеристике долота, наиболее час­то встречающейся на практике, возможны два качественно раз­личных случая:

однократное пересечение характеристик (рис. 6.23) с устой­чивым режимом вращения гидродвигателя;

двойное пересечение характеристик, когда одна из точек соот­ветствует неустойчивому режиму. В этом случае устойчивый ре­жим расположен в левой (близкой к холостому ходу) части ха­рактеристики гидродвигателя.

Динамическая устойчивость ВЗДопределяется с учетом инерционности гидродвигателя и продолжительности процесса перехода системы в новое состояние. Исследование динамиче­ской устойчивости позволяет всесторонне оценить свойства ма­шины в отношении устойчивости его движения. При оценке ус­тойчивости рассматриваются особенности протекания переход­ных процессов в динамической системе (см. § 6.8).

При определении динамической устойчивости гидродвигателя с переменным перепадом давлений необходимо учитывать:

волновые процессы в гидравлической линии и бурильной ко­лонне, распространяющиеся при изменении режима работы гид­родвигателя;

тот факт, что изменение осевой нагрузки на долото происхо­дит не только за счет изменения продольной деформации бу­рильной колонны (при выбуривании породы или воздействии бурильщиком на ленточный тормоз лебедки), но и частично за счет изменения осевых усилий в РО от перепада давления  [147].

Так, например, при увеличении удельного момента горных пород растет момент на долоте М_с и перепад давлений и, как следствие, возрастает осевое усилие в РО F_po. Тем самым еще больше увеличивается момент сил сопротивления М_с, и при оп­ределенных условиях становится возможным самопроизвольное нарастание давления, при котором ВЗД теряет устойчивость и затормаживается. При этом параллельно развивающийся волно­вой процесс в линии может способствовать потере устойчивости ВЗД.

Неравномерность крутящего момента двигателя, связанную с периодическим изменением числа камер (шлюзов), отделяющих области высокого и низкого давлений (см. § 5.4).

Мы поможем в написании ваших работ!