Основы динамики работы бурового инструмента

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 9Следующая ⇒

Значительное влияние на эффективность бурения, а при высокочастотном бурении – часто решающее влияние, оказывают виды движения буровых инструментов и соответствующие этим видам колебания и вибрирование бурильной колонны с буровым инструментом.

В процессе бурения возникают крутильные, поперечные и продольные колебания бурового инструмента.

Крутильные колебания бурового инструмента сопровождаются скручиванием - раскручиванием бурильной колонны, что приводит к изменению угловой скорости вращения колонны вокруг геометрического центра поперечного сечения.

Таким образом, крутильные колебания приводят к неравномерному вращению бурового инструмента и, соответственно, к неравномерностям передачи на забой крутящего момента и усилия резания-скалывания породы.

Поперечные колебания бурового инструмента задаются режимом движения бурильной колонны, а также действием поперечных усилий со стороны забоя, которые являются реакцией разрушаемой горной породы, и будут максимально проявляться при следующих условиях:

- при бурении трещиноватых, неоднородных по структуре, анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород;

- при значительной деформации буровой компоновки и перекосе бурового инструмента.

Поперечные колебания приводят к снижению эффективности бурения вследствие неоправданного дополнительного разрушения горной породы стенки скважины и, соответственно, к повышенному износу бурового инструмента, снижению механической скорости бурения.

Продольные колебания бурового инструмента возникают в процессе крутильных колебаний бурильной колонны, а также в результате динамического режима взаимодействия бурового инструмента с забоем. Это может происходить в процессе бурения шарошечными долотами твердых пород в режиме дробяще-скалывающего действия, а также при ударно-вращательном бурении в случае недостаточной осевой нагрузки прижатия инструмента к забою.

В процессе продольных колебаний происходит значительное изменение действующей осевой нагрузки на буровой инструмент, что существенно влияет на механическую скорость бурения и ресурс бурового инструмента.

Основными причинами возникновения колебаний бурового инструмента являются:

- несовершенство системы подачи буровых станков;

- наличие упругой и деформируемой бурильной колонны между буровым инструментом и буровым станком, которая имеет свою, чрезвычайно сложную, динамику;

- неравномерность резания-скалывания, дробления горной породы, чему способствует возможный перекос бурового инструмента на забое.

Потенциальная энергия упругого деформирования бурильной колонны может определяться следующей зависимостью:

, (4.19)

где М_кр – крутящий момент, даН м;

φ_к – угол закручивания колонны при бурении, рад.

С учетом зависимости (4.13) выражение (4.19) будет выглядеть следующим обра-зом:

. (4.20)

Неравномерность пода-чи бурового инструмента и динамические процессы при вращении деформированной колонны приводят к колебаниям осевой нагрузки на инструмент Р_ос.

По некоторым оценкам, полученным в результате проведенных экспериментальных работ, колебания величины осевого усилия могут составлять ± 30-50%. Колебания величины осевой нагрузки вызывают изменение глубины внедрения резцов в породу и углубки инструмента за оборот, что получило отражение в формуле (4.20) через влияние коэффициента сопротивления разрушению породы при вращении бурового инструмента μ_к. Уменьшение же глубины внедрения резцов в породу приводит к снижению, а повышение к росту коэффициента μ_к (рис. 4.16). Соответственно происходит изменение и величины крутящего момента (рис. 4.14).

Частота колебаний величин осевой нагрузки на инструмент и крутящего момента может быть различна и задается, как правило, частотой колебаний бурильной колонны, вызванной, в том числе, и дискретным характером разрушения горной породы на забое. За один оборот инструмента на забое может быть несколько периодов изменения величин осевого усилия и крутящего момента (рис. 4.26).

При уменьшении глубины внедрения резцов в породу снижается момент сопротивления вращению, а освобожденная энергия обуславливает вращение бурового инструмента с ускорением. Однако глубина внедрения резцов вновь возрастает при повышении осевого усилия, соответственно нарастает сопротивление со стороны породы, и буровой инструмент вращается с замедлением, пока не произойдет разрушение породы.

Таким образом, скорость вращения, передаваемая буровому инструменту, также как и величина осевого усилия, не постоянна, и изменяется в пределах среднего значения с амплитудой и частотой, которые зависят от многих факторов, и, прежде всего, от свойств буримых горных пород, характеристик системы «бурильная колонна – скважина», параметров режима бурения. При этом минимальное значение осевого усилия будет соответствовать ускоренному вращению бурового инструмента, а повышение осевой нагрузки приведет к снижению частоты вращения инструмента (рис. 4.24).

В работе [7] на основе результатов экспериментальных исследований с использованием скоростной киносъемки процессов работы бурильной колонны и бурового инструмента приведена классификация режимов работы бурового инструмента на примере алмазной буровой коронки (табл. 4.3).

В табл. 4.3 обозначено: Ω – частота поперечных колебаний инструмента на забое; ω_б – угловая скорость вращения коронки; ω_c – угловая скорость, задаваемая вращателем бурового станка.

Режимы работы коронки на забое проиллюстрированы графиками на рис. 4.27 из [7], на которых представлены зависимости соотношения угловой скорости вращения алмазной коронки и угловой скорости вращения бурильной колонны задаваемой вращателем бурового станка. Представленные результаты получены при проведении исследований на горизонтальном буровом стенде Московского геологоразведочного института (в настоящее время Российский гос. геологоразведочный университет).

Таблица 4.3

Классификация режимов работы алмазной коронки[7]

Режим работы бурильной колонны	Режим работы бурового инструмента
Ф₁₂ – вращение колонны вокруг собственной оси и оси скважины		Равномерное вращение
		Крутильные колебания без остановок бурового инструмента
		Крутильные колебания с остановками бурового инструмента
Ф₃ – режим качения колонны по стенке скважины (гипоциклическое движение)	R₃	Режим качения бурового инструмента (гипоциклическое движение)

Из этих схем следует, что наиболее благоприятен для эффективного разрушения породы режим равномерного вращения (рис. 4.27, а). В режиме вращения происходит значительное колебание угловой скорости вращения коронки под влиянием крутильных колебаний. В режиме гипоциклического движения, реализуемого как качение бурового инструмента по стенке скважины в сторону обратную заданному вращателем станка , возможны остановки бурового инструмента и резкие ускорения, что крайне неблагоприятно влияет на ресурс бурового инструмента и, как уже рассмотрено выше, может приводить к формированию винтообразных ствола скважины и керна.

Влияние повышения осевого усилия на трансформацию режима работы бурового инструмента определяется следующей связью .

Влияние увеличения частоты вращения на возможные режимы работы бурового инструмента определяются обратной последовательностью , которая отражает, прежде всего, влияние повышения частоты вращения на глубину внедрения резцов в породу, углубку за один оборот инструмента на забое и сопротивление вращению инструмента (см. рис. 4.12, 4.15).

Увеличение подачи промывочной жидкости приводит к изменению режима работы бурового инструмента аналогично влиянию частоты вращения, поскольку за счет давления под торцом бурового инструмента возникает гидроподпор, противодействующий осевому усилию, что приводит к уменьшению глубины внедрения резцов в породу (рис. 4.16).

Области существования режимов работы бурильной колонны и бурового инструмента, в зависимости от совокупного влияния осевого усилия и частоты вращения, для случая бурения алмазным инструментом диаметром 59 мм, представлены на рис. 4.28 [7].

Как следует из представленных графиков, область наиболее благоприят-ного для эффективного бурения режима работы бурового инструмента ограничивается определенными диапа-зонами изменений осевой нагрузки и частоты вращения, а это значит, что направления совершенствования буро-вого инструмента и буровых технологий должны соответствовать определенным требованиям:

- при вращательном бурении должны использоваться сбаланси-рованные бурильные колонны, а в лучшем случае забойные приводы;

- величины осевых нагрузок должны быть ограничены, а поиск возможностей повышения механической скорости должен связываться с использованием эффективных способов интенсификации процесса разрушения горных пород;

- при бурении должны использоваться технические решения, снижающие или исключающие колебательные процессы бурильной колонны и бурового инструмента.

Для снижения колебательных процессов при бурении наиболее известны следующие решения:

- снижение коэффициента трения между колонной и стенками скважины, путем повышения смазывающей способности промывочных растворов и применения консистентных смазок бурильной колонны, устраняющих зазор с одновременным снижением коэффициента трения между стенками скважины и колонной;

- снижение деформированности бурильных колонн путем уменьшения радиального зазора между колонной и стенками скважины, понижения осевого усилия на инструмент, например, применением тонкоматричных алмазных коронок и других инструментов, способных создавать высокие контактные давления на породу при умеренных осевых нагрузках, наложения вибрации на колонну при работе гидроударников и др.;

- увеличение радиуса инерции буровых компоновок, например, применением специальных тяжелых труб-маховиков, устанавливаемых над буровым инструментом и гасящих его колебания;

- применение буровых компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения, при работе которых реализуется механизм гашения возмущающего равномерное вращение инструмента влияние сил трения бурильной колонны о стенку скважины за счет проявляющегося при работе таких компоновок эффекта самоцентрирования [21, 22];

- повышение демпфирующей способности материала буровых компоновок, что будет способствовать гашению колебательных деформационных процессов в материале бурильных труб;

- установкой для гашения крутильных и продольных колебаний бурильной колонны специальных устройств – упругих и инерционных демпферов;

- использование для бурения забойных электро- или гидродвигателей, исключающих вращение бурильных колонн или забойных мультипликаторов.

ü Мультипликатор (лат. multiplico) – устройство, устанавливаемое над буровым инструментом для повышения его частоты вращения при малой частоте вращения бурильной колонны.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 344; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!