Помощь студентам в учебе
Аналитические исследования динамических компоновок при бурении с забойными двигателями
|
Введение
1 Антивибрационные стабилизирующие компоновки нижней части бурильных
колонн 8
1.1 Основные положения оптимального синтеза (проектирования)
компоновок нижней части бурильной колонны 8
1.2 Особенности динамического формирования забоя скважин 13
1.3 Анализ исследований по отработке забойных двигателей 26
1.4 Отказы турбобуров 31
1.5 Анализ современных исследований по отработке компоновок и их
рабочих элементов 33
2 Обзор существующих технических средств и способов регулирования
азимутального искривления ствола наклонных скважин 36
2.1 Анализ факторов, вызывающих изменение азимутального угла ствола
скважины 36
2.2 Обзор технических средств и способов регулирования азимутального
искривления скважин традиционными КНБК 37
3 Исследования напряженного состояния забойных двигателей в процессе
бурения наклонно направленных скважин 41
3.1 Исследование материала конусно-шлицевой полумуфты 41
3.2 Действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной
скважине 44
3.3 Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров
при бурении обычными компоновками 50
3.4 Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров с
включением в компоновку нижней части бурильной колонны центрирующего элемента 58
4 Аналитическое исследование динамики компоновки нижней части бурильной
колонны с применением гидромеханических виброгасителей 61
4.1 Модель устройств подавления вибрации гидромеханического принципа
действия 61
4.2 Уравнение движения компоновки нижней части бурильной колонны с
виброгасителем типа ГЦ и ДГ 63
4.3 Аппроксимация невязкого демпфера 66
4.4 Решение системы уравнений колебательной модели
4.5 Оценка эффективности гашения продольных колебаний бурильного
инструмента виброгасителями типа ГЦ и ДГ 70
Заключение 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 77
1 Антивибрационные стабилизирующие компоновки нижней части бурильных
колонн 8
1.1 Основные положения оптимального синтеза (проектирования)
компоновок нижней части бурильной колонны 8
1.2 Особенности динамического формирования забоя скважин 13
1.3 Анализ исследований по отработке забойных двигателей 26
1.4 Отказы турбобуров 31
1.5 Анализ современных исследований по отработке компоновок и их
рабочих элементов 33
2 Обзор существующих технических средств и способов регулирования
азимутального искривления ствола наклонных скважин 36
2.1 Анализ факторов, вызывающих изменение азимутального угла ствола
скважины 36
2.2 Обзор технических средств и способов регулирования азимутального
искривления скважин традиционными КНБК 37
3 Исследования напряженного состояния забойных двигателей в процессе
бурения наклонно направленных скважин 41
3.1 Исследование материала конусно-шлицевой полумуфты 41
3.2 Действие изгибающего момента на турбобур в наклонно-направленной
скважине 44
3.3 Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров
при бурении обычными компоновками 50
3.4 Расчет нагрузок в радиальных опорах шпиндельной секции турбобуров с
включением в компоновку нижней части бурильной колонны центрирующего элемента 58
4 Аналитическое исследование динамики компоновки нижней части бурильной
колонны с применением гидромеханических виброгасителей 61
4.1 Модель устройств подавления вибрации гидромеханического принципа
действия 61
4.2 Уравнение движения компоновки нижней части бурильной колонны с
виброгасителем типа ГЦ и ДГ 63
4.3 Аппроксимация невязкого демпфера 66
4.4 Решение системы уравнений колебательной модели
4.5 Оценка эффективности гашения продольных колебаний бурильного
инструмента виброгасителями типа ГЦ и ДГ 70
Заключение 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 77
К настоящему времени хорошо известны три большие группы методов решения задач статистической динамики: квазистатические, корреляционные и метод кинетических уравнений. Каждый метод имеет свою определенную область применения.
В общем случае можно выделить пять различных типов (групп) задач распознавания колебательных систем КНБК:
- автоколебательная система КНБК;
- система КНБК с параметрическими случайными возмущениями;
- система КНБК с внешним случайным возбуждением;
- система КНБК с внешним случайным возбуждением;
- система КНБК с параметрическим периодическим возмущением;
- система КНБК с внешним периодическим возмущением.
Первые три типа задач относятся к группе систем с чисто случайным возмущением, а две последние - к группе систем с периодическими возмущениями, в которых возможны и случайные колебания [2].
Исследование КНБК молено отнести к задачам, которые объединяют все выше названные группы. Такого рода задачи возникают всегда, когда располагаемая априорная информация о системе для её полной идентификации недостаточна, но для практической точки зрения количественная оценка в виде «да или нет» является приемлемой, позволяющая определить тип системы, границы области устойчивости рассматриваемого режима работы, для выявления преобладающего источника возбуждения вибрации и т.д.
С развитием буровой техники все более актуальной становится проблема создания активных виброзащитных устройств с элементами управления или оптимизации движения амортизируемых объектов.
Применительно к КББК традиционные виброгасители разрабатывались с использованием пассивных элементов, механические импедансы которых не могли меняться в процессе работы. И только создание виброгасителей гидромеханического типа, с дополнительным использованием жидкостных пружин, гидравлический импеданс которых можно регулировать в процессе бурения, позволило решать вопросы оптимизации и управления динамикой КНБК.
Согласно принятой терминологии под оптимизацией виброзащиты понимается разработка определенных требований, сформулированных в виде ограничений предъявляемых к колебательным системам, которые необходимо учитывать при синтезе демпферов и амортизаторов.
Наиболее существенные классы ограничений включают следующие:
- ограничения по абсолютным ускорениям;
- ограничения по его усилиям;
- ограничения по относительным перемещениям;
- ограничения на управление;
- конструктивные ограничения,
выше названные ограничения имеют числовые (действительные или комплексные) суммирующие функции, определенные на некотором множестве функций, которые называются функционалами, форма которых зависит от характера динамических воздействий.
При выборе из этих классов ограничений оптимального ставится задача отыскания экстремума функционала качества и их линейная комбинация с некоторыми весовыми коэффициентами.
Цель данной дипломной работы провести аналитическое исследование динамических компановок при бурении с забойными двигателями.
Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести аналитический литературный обзор по исследуемой теме.
2. Исследовать динамику компоновки нижней части бурильной колонны с применением гидромеханических виброгасителей.
В общем случае можно выделить пять различных типов (групп) задач распознавания колебательных систем КНБК:
- автоколебательная система КНБК;
- система КНБК с параметрическими случайными возмущениями;
- система КНБК с внешним случайным возбуждением;
- система КНБК с внешним случайным возбуждением;
- система КНБК с параметрическим периодическим возмущением;
- система КНБК с внешним периодическим возмущением.
Первые три типа задач относятся к группе систем с чисто случайным возмущением, а две последние - к группе систем с периодическими возмущениями, в которых возможны и случайные колебания [2].
Исследование КНБК молено отнести к задачам, которые объединяют все выше названные группы. Такого рода задачи возникают всегда, когда располагаемая априорная информация о системе для её полной идентификации недостаточна, но для практической точки зрения количественная оценка в виде «да или нет» является приемлемой, позволяющая определить тип системы, границы области устойчивости рассматриваемого режима работы, для выявления преобладающего источника возбуждения вибрации и т.д.
С развитием буровой техники все более актуальной становится проблема создания активных виброзащитных устройств с элементами управления или оптимизации движения амортизируемых объектов.
Применительно к КББК традиционные виброгасители разрабатывались с использованием пассивных элементов, механические импедансы которых не могли меняться в процессе работы. И только создание виброгасителей гидромеханического типа, с дополнительным использованием жидкостных пружин, гидравлический импеданс которых можно регулировать в процессе бурения, позволило решать вопросы оптимизации и управления динамикой КНБК.
Согласно принятой терминологии под оптимизацией виброзащиты понимается разработка определенных требований, сформулированных в виде ограничений предъявляемых к колебательным системам, которые необходимо учитывать при синтезе демпферов и амортизаторов.
Наиболее существенные классы ограничений включают следующие:
- ограничения по абсолютным ускорениям;
- ограничения по его усилиям;
- ограничения по относительным перемещениям;
- ограничения на управление;
- конструктивные ограничения,
выше названные ограничения имеют числовые (действительные или комплексные) суммирующие функции, определенные на некотором множестве функций, которые называются функционалами, форма которых зависит от характера динамических воздействий.
При выборе из этих классов ограничений оптимального ставится задача отыскания экстремума функционала качества и их линейная комбинация с некоторыми весовыми коэффициентами.
Цель данной дипломной работы провести аналитическое исследование динамических компановок при бурении с забойными двигателями.
Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести аналитический литературный обзор по исследуемой теме.
2. Исследовать динамику компоновки нижней части бурильной колонны с применением гидромеханических виброгасителей.
В работе установлена возможность модуляции явления биения при бурении забойной компоновкой турбинным способом серийными шарошечными долотами. Доказано, что первопричиной грунтовых колебаний долота и образование ухабов на забое являются зубцовые высокочастотные колебания переферийных венцов нескольких шарошек долота.
Установлено влияние механических импедансов КНБК на вибрационные процессы, которые происходят на забое скважины при вынужденных колебаниях.
Авторы большинства анализируемых работ считают, что одним из направлений для решения поставленных задач является включение в компоновку устройств подавления вибраций. Наиболее перспективными виброгасителями являются гидродемпферы, позволяющие регулировать свои виброзащитные свойства.
В работе отмечается, что проблема регулирования решается в основном статистическим учетом геологического фактора или путем использования КНБК, включающих набор серийного и мелкосерийного оборудования, а также применением специальных технологий с априорным выбором параметров.
Установлено, что при современном исполнении турбобуров на узел соединения шпиндельной секции с нижней турбинной секцией действует почти максимальный изгибающий момент, увеличивающийся с ростом зенитного угла скважины. Рекомендовано узел соединения вынести из зоны действия максимального изгибающего момента путем включения в компоновку нижней части бурильной колонны виброгасителей, которые за счет своих линейных размеров смещают опасную зону в сечение с меньшими концентрациями напряжений.
Аналитически определены зависимости нагрузок, действующих на радиальные опоры шпиндельной секции турбобура в наклонно направленной скважине, в компоновке с калибратором и без него. Установлено, что изменение зенитного угла скважины от 5° до 40° приводит, к двойному увеличению реакции в нижней радиальной опоре; износ радиальной опоры на 4 мм может привести к кратному увеличению радиальных нагрузок; снижение жесткости роторной системы шпиндельной секции турбобура приводит к уменьшению реакций в радиальных опорах; установка жесткого калибратора в нижней части бурильной колонны кратно увеличивает нагрузки на радиальные опоры шпиндельной секции.
Приведена механическая модель нижней части бурильной колонны с гидромеханическим виброгасителем, описываемая системой стационарных дифференциальных уравнений второго порядка с линеаризованными коэффициентами, решением которых исследована динамика работы устройств подавления вибраций гидромеханического принципа действия. Установлена зависимость коэффициента передачи устройств подавления вибраций гидромеханического типа от их геометрических и физико-механических параметров. Определено, что при динамической жесткости амортизатора К = 1,79 кН/мм (три упругих элемента), при диаметре насадки струйного насоса d2 = 0,25 м и при диаметре дросселя рабочей камеры d4 = 0,0025 м коэффициент передачи виброгасителя типа ДГ и ГЦ равен КП = 0,5. Данные параметры виброгасителя были приняты за базовые при дальнейшем конструировании опытных образцов.
Установлено влияние механических импедансов КНБК на вибрационные процессы, которые происходят на забое скважины при вынужденных колебаниях.
Авторы большинства анализируемых работ считают, что одним из направлений для решения поставленных задач является включение в компоновку устройств подавления вибраций. Наиболее перспективными виброгасителями являются гидродемпферы, позволяющие регулировать свои виброзащитные свойства.
В работе отмечается, что проблема регулирования решается в основном статистическим учетом геологического фактора или путем использования КНБК, включающих набор серийного и мелкосерийного оборудования, а также применением специальных технологий с априорным выбором параметров.
Установлено, что при современном исполнении турбобуров на узел соединения шпиндельной секции с нижней турбинной секцией действует почти максимальный изгибающий момент, увеличивающийся с ростом зенитного угла скважины. Рекомендовано узел соединения вынести из зоны действия максимального изгибающего момента путем включения в компоновку нижней части бурильной колонны виброгасителей, которые за счет своих линейных размеров смещают опасную зону в сечение с меньшими концентрациями напряжений.
Аналитически определены зависимости нагрузок, действующих на радиальные опоры шпиндельной секции турбобура в наклонно направленной скважине, в компоновке с калибратором и без него. Установлено, что изменение зенитного угла скважины от 5° до 40° приводит, к двойному увеличению реакции в нижней радиальной опоре; износ радиальной опоры на 4 мм может привести к кратному увеличению радиальных нагрузок; снижение жесткости роторной системы шпиндельной секции турбобура приводит к уменьшению реакций в радиальных опорах; установка жесткого калибратора в нижней части бурильной колонны кратно увеличивает нагрузки на радиальные опоры шпиндельной секции.
Приведена механическая модель нижней части бурильной колонны с гидромеханическим виброгасителем, описываемая системой стационарных дифференциальных уравнений второго порядка с линеаризованными коэффициентами, решением которых исследована динамика работы устройств подавления вибраций гидромеханического принципа действия. Установлена зависимость коэффициента передачи устройств подавления вибраций гидромеханического типа от их геометрических и физико-механических параметров. Определено, что при динамической жесткости амортизатора К = 1,79 кН/мм (три упругих элемента), при диаметре насадки струйного насоса d2 = 0,25 м и при диаметре дросселя рабочей камеры d4 = 0,0025 м коэффициент передачи виброгасителя типа ДГ и ГЦ равен КП = 0,5. Данные параметры виброгасителя были приняты за базовые при дальнейшем конструировании опытных образцов.