Динамические свойства колонны бурильных труб в скважине

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИМЕНИ В.С. ЧЕРНОМЫРДЕНА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине: «Автоматизация производственных процессов»

 

На тему: Динамические свойства колонны бурильных труб в скважине

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Факультет: Горно-нефтяной

Кафедра «Охрана  недр и рациональное природопользование»

Специальность: 130202 Техника и технология разведки месторождений полезных ископаемых

Выполнили: Митрофанов Д.М

Проверил: Профессор Ганджумян Р.А

 

                                                      

 

Москва, 2013 г.

Содержание

 

1. Динамические свойства колонны бурильных труб в скважине               3 стр

2. Моделирование динамики бурильной колонны                                     3-6 стр                                    

3. Список литературы   7 стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Динамические свойства колонны бурильных труб в скважине

 

При автоматическом или ручном управлении процессом  работы долота бурильная колонна  используется как передаточное звено, через которое замеряются с поверхности  основные величины, характеризующие  этот процесс (осевая нагрузка, скорость вращения долота)  и передается регулирующее воздействие в обратном направлении. Поэтому главной задачей при изучении влияния бурильной колонны на процесс регулирования подачи долота должно быть исследование  ее динамических характеристик при передаче с забоя на поверхность и в обратном направлении механических или гидравлических  сигналов.

 

2.Моделирование динамики бурильной колонны

 

Колонна бурильных  труб является длинным упругим стержнем, состоящим из отрезков труб, соединенных  между собой резьбовыми замками. Колонна опускается в скважину, имеющую  в 1,5—3 раза больший диаметр и  заполненную глинистым раствором  или водой. В верхней части  буровая скважина обычно укрепляется  металлическим кондуктором или  промежуточной обсадной колонной, а  в нижней имеет открытый стол. За верхний конец колонна подвешивается  на крюке талевой системы, а к  нижнему — на резьбе подсоединяется забойный двигатель (турбобур) и долото.

Бурильная колонна  в процессе работы находится под  действием осевых сил и крутящих моментов как распределенных по длине, так и приложенных в отдельных  точках. Помимо этого, при прокачке через нее промывочной жидкости, вследствие гидравлического сопротивления  колонны и перепада давления на турбобуре, в ее стенках создаются растягивающие  напряжения как в осевом, так и в радиальном  направлениях. В такт колебаниям перепада давления колонна изменяет свою длину. 

На нижнем конце колонны приложена осевая реакция забоя и реактивный  крутящий момент долота, а по длине  распределены силы веса, инерционные, а также вязкого и сухого трения. Последние образуются вследствие Того, что ось скважины, как правило, не бывает строго вертикальной, и колонна на отдельных участках или в точках касается стенок скважины, причем в местах замковых соединений  на ней имеются уступы, которые зацепляются за неровности на стенках скважины и тем самым значительно увеличивают силы трения.

При роторном способе бурения колонна вращается  непрерывно, а при бурении забойными  двигателями (турбобур, электробур) —  эпизодически. Поступательное движение колонны во время процесса бурения  происходит по мере выработки забоя  долотом, как правило, в одном  направлении — вниз.

Под действием  перечисленных выше многочисленных и непрерывно  меняющихся во времени  нагрузок, прилагаемых в процессе бурения  к отдельным точкам бурильной  колонны, а также распределенным  по ее длине, согласованность в перемещениях верхнего и нижнего  концов бурильной  колонны нарушается. Возникают ошибки в замерах с поверхности величины осевой нагрузки на долото, качество  управления процессом бурения ухудшается, его производительность  падает.

Изучение  динамических характеристик бурильной  колонны велось  различными исследователями как на физических, так и на электрических моделях.

В основу первых была положена система уравнений  продольных (1) и крутильных (2) колебаний  колонны как упругого растянутого  стержня вида:

 

 

 

       

 

 

                                                                                                              (2)

 

 

где Р — растягивающая сила в сечении колонны; v — продольная скорость точки колонны; s — координата вдоль оси колонны; t — время; М — крутящий момент в сечении колонны; — угловая скорость сечения колонны; т — масса единицы длины колонны; g — ускорение силы тяжести; F_B — сила вязкого трения на единицу длины колонны; М_в — момент вязкого трения на единицу длины колонны;  F_c — сила сухого трения на единицу длины колонны; М_с — момент сухого трения на единицу длины колонны;

EF — жесткость сечения колонны; J₀ — момент инерции единицы длины колонны; GJ — крутильная жесткость колонны.

При введении ряда допущений о том, что, силы сухого и вязкого трения распределены по длине колонны равномерно, что перемещается  она только в одном направлении (вниз) и т. д., система уравнений (1), (2) упрощается и приводится к системе линейных дифференциальных уравнений, свойства которых достаточно хороша изучены.

Исходя из таких предположений, были построены  физические модели бурильной колонны  для отработки моделей автоматов  подачи и изучения ее поведения в  скважине.

Модель Львовского политехнического института (ЛПИ) представляет  собой две цепочки механических звеньев, одна из которых ЦПК моделирует продольные, а другая ЦКК крутильные колебания колонны. Распределенные по длине колонны элементы веса и массы (инерциальные), упругости и трения как для продольных, так и для крутильных колебаний заменены в цепочках сосредоточенными величинами. Каждая цепь содержит однотипные ячейки с элементом инерции (маховик), элементом упругости (эластичная муфта) и элементом трения (гидродинамический элемент).

Каждый гидродинамический  элемент моделирует трение глинистого  раствора, сухое трение (в сальниках), собственный маховой момент и  маховой момент, образующийся от увлекаемого  во вращение глинистого раствора.

Граничные условия  задаются с помощью специально подобранных  электрических машин, моделирующих привод подачи, вращение колонны, долото и забойный двигатель. Машины постоянного  тока, моделирующие долото, воссоздают зависимость между скоростью  проходки, моментом и осевой нагрузкой  на долоте.

Модель располагается  горизонтально. Ее общая длина составляет 20 м.

Модель Гипронефтемаша предназначается для моделирования только продольных колебаний колонны. Основным элементом модели  является спиральная стальная пружина длиной 2 м. Ее масса и жесткость были подобраны таким образом, чтобы в натуральном масштабе времени сохранялось подобие волновых механических процессов в модели аналогичным процессам в колонне. Для моделирования сил сухого трения применены щетки, разнесенные по длине пружины. В систему введена модель талевой оснастки, двигателей подачи, долота и турбобура.

Модель долота воспроизводила зависимость вида v=k ₁Р+k₂n, где Р — осевая нагрузка; n — скорость вращения; k ₁и k ₂ — коэффициенты пропорциональности. Турбобур моделировался системой двигатель — генератор с механической характеристикой на выходе, отображавшей линейную зависимость между скоростью вращения  вала и осевой нагрузкой на долото, которая замерялась на нижнем сжатом конце пружины.

Модель использовалась для отработки автоматических схем и узлов  механизмов подачи.

Физическая  модель колонны МИНХиГП им. Губкина представляла  собой копию натуральной колонны в скважине уменьшенного диаметра и длины. Модель колонны составлялась из латунных трубок, утяжеленных свинцовыми грузами, и помещалась в «скважину», моделируемую трубками из органического стекла. Установка была снабжена приборами для регистрации перемещений колонны и механических  нагрузок в некоторых ее точках. Предусматривалось вращение колонны для моделирования роторного бурения. При исследовании  забойных двигателей мощно вращать забой, который был выполнен из стали или твердой резины. Общая длина вертикальной  модели колонны составляла 20 м.

Модель использовалась для исследования статики и динамики колонны при роторном бурении  и бурении забойными двигателями  в вертикальной скважине.

Описанные физические модели бурильных колонн отражали с  некоторым  приближением для заданных условий процессы продольных  колебаний, а модели ЛПИ и МИНХиГП и крутильные колебания. Однако учет сил сухого и вязкого трения, заметно влияющих на динамические процессы в колонне, выполнен в этих моделях довольно  примитивно. К общим недостаткам физических моделей бурильных  колонн следует отнести их громоздкость, трудность настройки на заданные условия и, главное, сложность введения в них дополнительных факторов (например, учет взаимного влияния крутильных и продольных колебаний), а также неудобство сопряжения с моделями или натурными автоматами подачи долота. Электрическая модель дает возможность отразить волновые процессы в бурильной колонне как механические, так и гидравлические, учесть с наибольшим приближением силы сухого и жидкого трения и взаимосвязь  между продольными и крутильными колебаниями через эти силы, учесть форму скважины и осуществлять быструю настройку, изменение параметров и добавление новых элементов и связей в систему, а также замер и регистрацию всех необходимых величин динамического процесса в любой точке модели. Большим удобством является возможность использования для моделирования бурильной  колонны электроаппаратуры, входящей в комплект промышленных образцов аналоговых электрических вычислительных машин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

1. Автоматизация процессов глубокого бурения Чефранов Н.С.