Введение к работе
; l
ад/
Актуальность проблемы. В современный период и ближайшие десятилетия важнейшими сырьевыми и энергетическими ресурсами для на -родного хозяйства страны остаются нефть и газ. дальнейшее увеличение их добычи и ускорение проведения геологоразведочных работ во многом связано с улучшением технико-экономических показателей буровых работ путем совершенствования технических средств и технологии бурения скважин на суше и море с плавучих средств.
Для решения этой проблемы научными организациями проводятся широкие теоретические и экспериментальные исследования в области создания динамических моделей буровых механических систем, изучения влияния параметров бурильного инструмента на работу буровых долот, разработки виброзащитных инструментов и технологии их использования при разных способах бурения.
В процессе углубления скважин ось бурильной колонны под действием сил и моментов остается прямолинейной или приобретает спиралевидные формы условного равновесия. При взаимодействии колонны со стенками скважины в любом ее сечении возникают взаимосвязанные продольные, поперечные и крутильные колебания, изменяется статическая и динаілическая составляющие осевой нагрузки на долото. Это приводит к усилению или ослаблению силового взаимодействия долота с забоем, т.е. к изменению эффективности процесса бурения.
Для изменения динамики бурильного инструмента и долота при разных способах бурения во БНИИБТ, УНИ, УкрГИПРОНИИнефти, ИФИНГе и др. организациях созданы и испытаны оригинальные конструкции виброзащитных инструїлентов. Однако,отсутствие научно-методических рекомендаций по эффективному использованию виброзащитных инструментов сдерживает организацию их серийного изготовления и массового использования при бурении скважин.
В связи с необходимостью глубокого и всестороннего изучения влияния компоновки бурильной колонны на работу долота при разных способах бурения на суше и море с плавучих средств в настоящее время возникла необходимость решения не отдельных частных, а общих задач путем составления обобщенных математических моделей сложных буровых механических систем, на основе которых можно провести теоретические и экспериментальные исследования для совершенствования технических средств и обоснования путей Биективного выбора технико-технологических параметров процесса бурения.
Цель работы. Улучшение эффективности бурения скважин на основе разработки общих моделей сложных буровых механических систем, учитывающих закономерности взаимодействия долота с упруго-вязким забоем и динамику бурильного инструмента в скважине для обоснования решений по подбору параїлетров компоновок бурильных колонн и виброзащитных инструментов.
Основные задачи исследования. I. Исследование кинетики процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливания индентора и оценка эффективности их разрушения при несвободных воздействиях, воспроизводящих особенности работы элементов вооружения буровых долот ь работу низа компоновки бурильной колонны.
-
Стендовые исследования динамичности и эффективности работы буровых дозіот в процессе бурения при изменении параметров виброза-шитних инструментов.
-
Разработка научно-методических основ изучения динамики бурильной колонны для оценки влияния ее параїлетров на показатели эффек тивности работы буровых долот и забойных двигателей в процессе бурения.
-
Разработка математической модели и технических средств для стабилизации динамического режима работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин с плавучих средств на море.
-
Разработка обобщенной математической модели работы механи-
5 ческой системы "порода-шарошечное долото-бурильная колонна-буровая установка", учитывающей закономерности разрушения породы вооружением долота и взаимодействие бурильной колонны со стенками скважины.
-
Исследование влияния параметров виброзащитных инструмен -тов и бурильной колонны на динамику работы породоразрушающего инструмента при бурении.
-
Создание и внедрение технических средств и технологии их использования для изменения динамики бурильной колонны и породо -разрушающего инструмента при разных способах бурения на суше и море.
Научная новизна. I. Исследована кинетика разрушения горных пород при элементарном акте динамического вдавливания, учитывающая особенности образования зоны разрушения и разработаны обобщенные зависимости, характеризующие изменение разрушаемое породы от величины реализованной энергии.
-
Получены аналитические взаимосвязи и экспериментальные данные для оценки влияния параметров механической системы стенда, виброзащитных инструментов и упруго-вязких свойств породы на показатели работы долота.
-
Разработаны методологический подход и математические модели изучения взаимосвязанных продольных и крутильных колебаний сечений бурильного инструмента при взаимодействии буровых долот с упруго-вязким забоем с учетом работы нескольких источников возбуждения колебаний при роторном и турбинном способах бурения.
-
Впервые составлена математическая модель динамики буриль -ного инструмента при бурении скважин с использованием электробуров, позволяющая определять динамические усилия в сечениях компоновки, на долоте, опорных узлах двигателя, а также относительные смещения кабельных секций в местах их сочленения при разных параметрах про-
цесса бурения.
-
Разработана новая математическая модель работы бурильного инструмента при бурении скважин на море с плавучих средств. Установлены зависимости для оценки влияния вертикальной, боковой и килевой качки бурового судна, а также параметров бурильной колонны на динамический режим работы долота.
-
Разработана новая математическая модель динамического взаимодействия вооружения шарошечного долота с упруго-вязким и разрушаемым забоем, позволяющая изучать взаимосвязанные продольные и крутильные колебания на долоте и в сечениях компоновки при бурении вертикальных скважин.
-
Составлена система уравнений, описывающая малые колебания сечений спиральноизогнутого участка низа бурильной колонны, взаимодействующего со стенками скважины при его переносном поступательном перемещении и вращении вокруг оси скважины.
-
Сформулированы общие технико-технологические требования на созданные конструкции виброзащитных инструментов и технологии их использования при бурении скважин для изменения динамичности и эффективности работы долота при бурении скважин на суше и море с плавучих средств. '
-
На базе исследований созданы новые виброзащитные инструменты, усовершенствованы конструкции буровых долот, проведены их промысловые испытания и внедрение.
Основные защищаемые положения. I. Кинетическая схема процесса разрушения горных пород'при вдавливании, обобщение результатов испытаний пород при разных воздействиях шродоразрушающих элементов в виде зависимостей изменения величины контактного давления и объема' зоны разрушения от величины реализованной энергии.
2. Аналитические и экспериментальные результаты исследования
динамичности и эффективности работы породоразрушающего инструмента на стенде.
-
'Методология исследования динамики работы бурильного инструмента примешітельно к углублению скважин.
-
Математические модели колебаний бурильного инструмента при роторном, турбинном способах бурения и использовании электробуров, а. также при бурении с плавучих средств.
-
Результаты изучения динамики бурильного инструмента и долота при взаимодействии с забоем скважины.
-
Технические средства виброзащиты сечений бурильной колонны, забойных двигателей и породоразрушающих инструментов при бурении скважин.
-
Результаты промысловых исследований влияния параметров компоновки и виброзащитных инструментов на показатели процесса бурения.
-
Научно-методические основы подбора конструкций компоновок, параметров и места установки виброзащитных инструментов для улучшения показателей работы долот.
Практическая значимость и реализация работы в промышленности. Практическая значимость теоретических и экспериментальных исследований состоит в дальнейшем развитии знаний о процессе углубления забоя, использовании динамических моделей буровых механических систем для уточнения прогнозных зависимостей работы породоразрушающих инструментов, шпинделей забойных двигателей, обосновании эффективных параметров компоновок бурильных колонн и виброзащитных инструментов для улучшения показателей бурения на суше и море с плаву -чих средств.
Основные вопросы, решаемые в диссертационной работе, включались в программу совместных НИР и ОКР ШЖБТ, УкрГИПРОНИИнефть и ИФИНГ (заказ-наряд Е85.0489.87), межвузовскую программу НИР "Шельф" на 1986-1990 гг. (приказ Минвуза СССР й 208 от 23.03.86 г.), координационный план межведомственного НПО "Недра" Западного научного центра АН УССР (задание 2, этап 2.2).
Результаты диссертационной работы получили практическое воплощение при бурении скважин:
создан нормальный ряд виброзащитных инструментов-регуляторов динамического режима работы бурильной колонны (РДБК-240,215,195), организовано их серийное изготовление опытным производством нефте-газоразведочной техники ПО Главукргеология и массовое внедрение при бурении скважин в разных условиях ПГО Полтавнефтегеология, ПО Укрнефть, тресте Укрбургаз и др.;
разработаны амортизаторы шпинделя турбобура(АШТ-240,195,1, изготовлены опытные партии, проведены приемочные испытания и определена эффективность их использования в условиях ПГО Полтавнефгегаз-геология;
разработаны, изготовлены и испытаны опытные партии амортизаторов АБ-2І2 для установки в растянутой части колонны под буровым судном в ПГО "Арктикморнефтегазразведка" и ыаддолотного накопителя энергии НЗБ-240 в тресте Укрбургаз;
по решению Технического управления Миннефтепромасовместно с ВНИИБТ,составлена "Программа и методика сравнительных испытаний новых конструкций забойных амортизаторов" и проведены промысловые ис-пыта ;ия амортизаторов АН-240, НАБ-240, РДБК-240 и ВГАЗ-240 в ПО Краснодарнефтегаз и Укрнефть;
разработана и внедрена "Инструкция по применению виброзащитных инструментов в компоновке бурильной колонны при бурении вертикальных скважин", утвержденная трестом Укрбургаз (1988 г.) и объединением Полтавнефтегаэгеология (1988 г.);
разработана "Инструкция по подбору параметров виброзащитных инструментов для бурения скважин на море с плавучих средств", утвержденная объединением Арктикморнефтегазразведка (1989 г.).
Образцы регуляторов РДБК-240 и РДБК-І95, согласно контракту
55-075/78700 ВПО Зарубежнефтегазстроя, отправлены в Индию для промыслового использования.
Результати диссертационной работы используются в Ивано-Франковском институте нефти и газа в учебном процессе студентами специальности 0909 при изучении курса "Механика разрушения горных пород" и дипломном проектировании.
Разработки автора внедрены в 8 производственных объединениях при бурении более 250 тыс.метров погоппых скважин. Общая экономическая эффективность разработок за счет улучшения показателей бурения по проходке и механической скорости составила I млн. 429 тыс.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Разрушение горних пород" (Уфа, 1973,1990гг.); республиканской конференции "Тектоника и полезные ископаемые запада Украинской ССР" (Львов, 1973 г.); республиканской научно-технической конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса" (Уфа, 1982 г.); Всесоюзном семинаре "Опыт внедрения методов регулироваїгая и оперативного контроля гидравлических характеристик буровых и тампонажних растворов" (Ивано-Франковск, апрель 1986 г.); республиканской конференции "Роль вычислительного эксперимента при исследовании физико-химических процессов" (Иване— -Франковск, июнь 1987 г.); всесоюзной молодежной выставке-ярмарке научно-технических разработок и предложений для нефтяной промышленности (Нижневартовск, IS87 г.); выставке-ярмарке научно-технических предложений и идей в области бурения скважин ВПО Укргазпром (Киев, 1987 г., Яремча, 1989 г.); регулятори РДБК-240 экспонировались на ВДНХ УССР и отмечены дипломом первой степени (1990 г.),, а также па международной выставке-ярмарке в Сирии (Дамаск, 1990 г.).
Результаты работы также доложены на ученом совете УкрНИИгаза (Харьков, 1981 г.); ученом совете ВШИБТ (Москва, 1983 г.); координационных совещаниях Миннефтепрома (Москва, 1985 г., Ивано-Франковск, 1986 г.); техническом совещании ПО Укрнефть с участием главных специалистов управлений буровых работ и научных организаций (Киев,
1985 г.); выездном заседании региональной опорной кафедры теоретической механики Львовского политехнического института с учас -тием представителей кафедр вузов Западного региона УССР (Ивано --Франковск, 1986 г.); НТС ВПО Каспморнефтегазпром (Баку, 1986 г.); НТС ПО Ншшевартовскнефтегаз (Нижневартовск, 1986 г.); ЬГС ПГО Енисейнефтегазгеология (Красноярск, 1986 г., 1987 г.); НТС ПГО Арктикморнефтегазразведка (Мурманск, 1986-1989 гг.); НТС ПГО Пол-тавнефтегазгеология (I98I-I990 гг.); НТС треста Укрбургаз (1986 --1990 гг.).
В полном объеме результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры бурения УНИ (июнь, 1989 г.) ученом совете Ш1ШГ (июнь, 1991 г.) секции "Бурение скважин" НТС УНИ (октябрь 1991 г.).
Публикации. По диссертации опубликовано 59 научных работ в том числе получено 7 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 10 глав, основных результатов и выводов. Общий объем работы составляет 748 страниц, в том числе 595 страниц машинописного текста и включает 67 таблиц, 103 рисунка, список литературы из 302 наименований и 6 приложений.