Введение 8
1 Математические модели процесса бурения 13
1.1 Факторы влияющие на скорость проходки 15
1.2 Дифференциальные модели бурения 18
1.3 Интегральные модели бурения 22
1.3.1 Модель механической скорости с учётом гидравлических
параметров 26
1.4 Модели времени работы долота 27
1.4.1 Модели времени работы опоры долота 28
1.4.2 Модели времени износа вооружения долота 30
1.5 Полная математическая модель процесса механического бурения..31
Выводы 33
2 Буровые работы, оптимизация режимов бурения 34
2.1 Способы вращательного бурения 35
2.1.1 Роторное бурение 35
2.1.2 Турбинное бурение 37
2.1.3 Бурение электробуром 39
2.2 Буровые долота 40
2.3 Основы оптимизации режимов бурения 41
2.3.1 Осевая нагрузка 43
2.3.2 Влияние параметров режима бурения на величину проходки на
долото 45
2.3.3 Частота вращения долота 47
2.3.4 Промывка скважины буровым раствором 48
2.3.5 Влияние состава и свойств промывочной жидкости на
эффективность работы долот 51
2.3.6 Влияние осевой нагрузки, частоты вращения, расхода и
свойств бурового раствора на стойкость долот и проходку 55
Выводы 57
3 Эксплуатационная надежность 58
3.1 Показатели надежности и их назначение 59
3.2 Влияние параметров бурения на безотказную работу долот 65
3.3 Исследование надежности опор шарошечных долот по
эксплуатационным данным 69
Выводы 73
Заключение 75
Список использованных источников 77

Купить

Эксплуатационная надежность и работоспособность машин и оборудования буровых комплексов относятся к базовым факторам, обеспечивающим рентабельность современного бурового производства. Многообразие агрегатов, оборудования и инструмента, применяемых при бурении скважин, объясняется чрезвычайно широким диапазоном функций, обусловленных потребностями строительства скважин. Кроме того, буровые машины, инструмент и оборудование эксплуатируются в специфических и экстремальных условиях, которые определяются географией производства работ, климатом и сложностью геологического строения нефтегазоносных территорий. Все это предопределяет необходимость разработки таких машин, которые отличаются не только конструктивной и технологической уникальностью, но и высокой надежностью функционирования всех элементов. Технологический процесс бурения осуществляется в тесном взаимодействии всех комплексов оборудования, имеющего разное функциональное назначение, при котором отказ или неисправность одного узла или элемента приводят к выходу из строя объекта системы или всего комплекса в целом. При этом перебои в процессе бурения часто сопровождаются возникновением различного рода аварий и осложнений, усугубляющих технологический простой организацией аварийно-ликвидационных работ.
Таким образом, совершенствование эксплуатационной надежности и работоспособности оборудования и машин бурового комплекса является проблемой актуальной, требующей проведения значительного объема экспериментально-теоретических исследований. Эти исследования выполняются на основе положений теории надежности, предусматривающей возможность количественной оценки показателей, характеризующих работоспособность и долговечность механических систем. Эти показатели объективно отражают текущее технико-технологическое состояние исследуемых объектов и позволяют анализировать тенденции технического развития, а также прогнозировать пути его совершенствования. Решению этой задачи способствуют систематизация причин отказов, выявление видов изнашивания и применение научных основ трибологии, обеспечивающих увеличение сроков службы исследуемых изделий [1].
Проектирование и изготовление высоконадежного оборудования требует дополнительных средств. Но с увеличением надежности уменьшается число отказов, время вынужденного простоя, количество запасных частей, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Таким образом, с увеличением надежности оборудования возрастает стоимость проектирования и изготовления, но уменьшается стоимость эксплуатации. Существует некоторое оптимальное значение надежности, при котором суммарная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации минимальна.
Анализ работ по надежности буровых установок показывает, что в отечественной и зарубежной литературе слабо освещены вопросы изучения причин и характера отказа основных узлов буровых установок: роторов, вертлюгов, насосов и другого бурового оборудования, что эти вопросы изучены недостаточно полно и для получения объективных данных, которые требуются при решении задач по повышению надежности и эффективности технического обслуживания и ремонта буровых установок, требуется большой объем статистических данных [2].
Важно добиться повышения надежности, затрачивая минимум ресурсов, так как бурение скважин на нефть и газ является самым дорогостоящим процессом из всего объема работ, связанных с разведкой, добычей и транспортом этих полезных ископаемых. Поэтому делается упор на оптимизацию процесса бурения. Сложность задачи оптимизации процесса бурения заключается в неоднородности разбуриваемых пород и ограниченности информации об ее свойствах. Затрудняет принятие оптимального решения тот факт, что многие геологические параметры носят нечеткий характер.
При построении систем управления процессом бурения встает вопрос о разработке новых моделей, способных накапливать информацию об объекте в процессе эксплуатации системы, работать с нечеткими данными.
Применение работоспособных и эффективных автоматического управления позволит повысить производительность бурового станка, увеличить срок безаварийной работы установки, стойкость породоразрушающего инструмента и тем самым - снизить стоимость проходки одного метра скважины [3].
Эффективность разрушения горных пород при проводке скважины зависит от комплекса факторов: осевой нагрузки на долото, частоты вращения долота, расхода и параметров бурового раствора, типа долота, геологических условий, механических свойств горных пород. Выделяют управляемые параметры режима бурения, которые можно изменять с пульта бурильщика в процессе работы долота на забое, и факторы, которые невозможно оперативно изменять. Определённое сочетание их, при котором осуществляется механическое бурение скважины, и называется режимом бурения.
Параметры режима бурения можно установить и по эмпирическим зависимостям эффективности разрушения горных пород и работоспособности долот. Трудность применения этого метода заключается в том, что при бурении встречается очень много сочетаний типов долот и пород с различными механическими свойствами. Поэтому для установления эмпирических зависимостей необходим большой объём экспериментальных исследований. Поэтому в настоящее время развиваются методы оперативного управления процессом бурения и разрабатываются технические средства, обеспечивающие отработку долот в оптимальном режиме.
После бурения достаточного числа скважин режим может быть уточнён по промысловым статистическим данным. Сущность этого метода заключается в том, что показатели работы долот группируют по сопоставимым интервалам (режимным пачкам). Затем полученные данные обрабатывают с привлечением различных методов математической статистики и выбирают наиболее эффективные модели долот и турбобуров (электробуров), а также параметры режима бурения, при которых достигаются наиболее высокие показатели бурения (механическая или рейсовая скорости бурения, минимум себестоимости 1 м проходки). Хотя этот метод проектирования режимов наиболее распространен, он имеет и ряд недостатков, заключающихся в том, что лучший режим бурения выбирают из уже имеющихся; а результаты анализа зависят от полноты и достоверности данных, внесенных в карточки отработки долот; а также необходим большой объём фактического материала.
Статистические методы обработки промысловых данных дают возможность выявить влияние различных факторов на процесс бурения и получить аналитические функции, связывающие эти факторы с основными показателями процесса. Исследуя эти функции, можно определить степень и направление влияния каждого входного фактора и выбрать наиболее оптимальные сочетания параметров режима бурения.
Для этого понадобится проанализировать известные математические модели процесса бурения, на основе которых выбрать ту модель, которая будет соответствовать поставленным целям.
Целью работы является повышение надежности динамической системы бурильной установки с минимальной потерей эффективности бурения, путем применения низкооборотного бурения и оптимизации параметров режима бурения.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
1) Рассмотреть математические модели механического процесса бурения.
2) Рассмотреть режимы бурения и способы их оптимизации.
3) Проанализировать влияние параметров режима бурения на надежность долот.
4) Рассчитать вероятность безотказной работы долот.
5) Рассчитать коэффициенты, влияющие на показатели процесса бурения.
6) Проанализировать влияние поправочных коэффициентов на надежность и эффективность бурения.
Работа имеет практическое значение, полученные результаты и сформулированные выводы могут быть использованы при определении оптимальных параметров процесса бурения для повышения показателей надежности и эффективности. Рассмотренный подход может быть развит и использован для оптимизации параметров процесса бурения в различных условиях.
Апробация работы проведена. Написана статья, которая прошла рецензирование и принята к печати в журнал Научно-технический вестник Поволжья №3 2016. Журнал включен в список ВАК, начинающий свое действие с 1 декабря 2015 года.
Купить