| GR Q1 R Q2 l rш Gос Q3 Q4 Z1 Z2 Z3 Z4 nг nшп VП h МТ rб РС m Qос fск σz mс N V t Тп Fе Δu К w с Tmax l uo to u Tmin а φ τ λп k wf z Ео J q r1, r2 αк ρ FS Кλ η wo Δt Δw Кэ Рг EF lк F А П kD ΔП σП Dш Dд N Zш1 Zш2 d Zш3 τb Т γb с1, с2 r Î Фо αр η1 Kn Ke ак ξ Îо Н Е Ко Ф(w) φ1k(w)аk δ(ξ) δk(ξ) хо уо(ω) Ку εо Аn, Аm Rn φn Т1 Т2 Т3 mk mш mп rk rш rп αк λб lш dmк ρ dT1 φ0 w ψ γ kv vB2 δА δАв δАш δАор δАп sign δА- сп Qα Фзи Фки Fтр Фцз Gз Fу G L tн hп Nn k х R ТБ tм tсп tпвр tкс tрв tос tа , tпр vм, vр lд b xiu,xju уи xixj Руд Р F δкр Cб Тсп Тp vp hпр tвбр GБТ Мдп МБ iтр Dср nдв vпд kтс ηтс RЗБ ΔР СПО АО ТОО КПП РПД БУ УБТ ШПМ КПД ПФЭ САУ | усилие подачи груз на рычаге реечно-шестеренчатого механизма плечо силы Q1 вес рычага реечно-шестеренчатого механизма плечо силы Q2 радиус шестерни реечно-шестеренчатого механизма осевая нагрузка на долото, создаваемая реечно-шестеренчатым механизмом вес шпинделя с кремальерой осевая составляющая веса бурового инструмента с учетом сил сопротивления число зубьев первой шестерни винтового механизма подачи число зубьев второй шестерни винтового механизма подачи число зубьев третьей шестерни винтового механизма подачи число зубьев четвертой шестерни винтового механизма подачи частота вращения гайки частота вращения шпинделя скорость подачи винтового механизма подачи шаг резьбы на гайке и шпинделе тормозной момент радиус барабана усилие в лебедочной струне талевой оснастки число струн талевой оснастки осевая составляющая веса бурильной колонны с учетом сил сопротивления коэффициент трения скольжения вертикальное напряжение сосредоточенная точечная масса нормальная сила постоянная скорость точки время сила сопротивления со стороны породы упругая реакция опоры смещение резца по отношению к точке О коэффициент жесткости пружины частота колебания скорость распространения звука в пружине максимальная сила сопротивления со стороны породы характерный линейный размер пружины смещение резца относительно точки О в предельном состоянии в момент времени t=to начальное время перемещение резца относительно неподвижного резца минимальная сила сопротивления со стороны породы безразмерный параметр фаза колебания период колебания безразмерный параметр жесткость пружины частота собственных колебаний точечной массы m на пружине с жесткостью k координата вдоль оси симметрии балки модуль Юнга материала балки момент инерции относительно нейтральной оси поперечного сечения балки внешняя нагрузка, приходящаяся на единицу длины балки внутренний и внешний радиус полой круговой цилиндрической трубы соответственно коэффициент плотность материала стержня площадь поперечного сечения стержня коэффициент Постели теорий Винклера коэффициент вязкости амплитуда характерная ширина импульса характерная ширина области частот, присутсвующих в этом импульсе кинетическая энергия груза сила жесткость каната на растяжение длина нерастянутого каната площадь поперечного сечения каната работа, совершенная силой потенциальная энергия каната динамический коэффициент полное наибольшее удлинение каната полные наибольшие напряжения в канате диаметр шарошки диаметр долота число оборотов долота в единицу времени число зубьев одной шарошки число одновременно работающих шарошек в долоте диаметр частицы породы число оторавашихся частиц породы сопротивление породы сколу период предельная величина скорости распространения продольной и поперечной волны соответственно расстояние от источника до заданной точки поверхности акустическая энергия, приходящаяся на единицу поверхности за единицу времени мощность источника угол между радиусом-вектором некоторая безразмерная постоянная коэффициент поглощения акустической энергии источника обсадной колонной коэффициент излучения акустической энергии в породу кратчайшее расстояние от источника до трубы безразмерная величина величина плотности мощности энергии обсадной трубы при ξ =0 расстояние источника возмущения от датчика акустическая энергия упругих колебаний некоторый оператор по времени прямоугольная комплексная матрица элементы матрицы постоянные системы дельта функция Дирака k – ая производная дельта-функции некоторое действительное число некоторое комплексное число упругая постоянная материала датчика амплитуда колебания комплексные амплитуды гармоники амплитуда фаза колебания с частотой ω/n кинетическая энергия КШМ для кривошипа кинетическая энергия КШМ для шатуна кинетическая энергия КШМ для ползуна масса кривошипа масса шатуна масса ползуна обобщенная координата кривошипа обобщенная координата шатуна обобщенная координата ползуна угол между кривошипом и напраяляющей кулисой безразмерная величина длина шатуна элементарная масса кривошипа плотность материала кривошипа элементарная кинетическая энергия начальный угол поворота системы угловая скорость системы угол между шатуном и направляющей кулисой угол между главным вектором скорости ползуна и ее составаляющей переменный безразмерный коэффициент суммарная скорость ползуна работа обобщенных сил КШМ работа обобщенных сил кривошипа работа обобщенных сил шатуна работа обобщенных сил трения работа обобщенных сил ползуна знак, выражающий знакопеременность работа обобщенных сил упругости жесткость пружины обобщенная сила КШМ центробежная сила инерции кориолисовая сила инерции сила трения центробежная сила инерции ползуна составляющая силы тяжести сила упругости сила тяжестиползуна, вес элементов бурильной колонны расстояние от оси вращения до центра массы ползуна время начала относительного движения ползуна по направляющей кулисе ход ползуна нормальная реакция между ползуном и наружным шкивом частота собственных колебаний системы текущее расстояние от центра вращения точки О до ползуна радиус вращения кулисы баланс календарного времени бурения время, затрачиваемое на механическое бурение время, затрачиваемое на спуско-подъемные операции время на подготовительно-вспомогательные работы время на крепление скважины время на ремонтно-восстановительные работы время на ликвидацию осложнений, возникающих в период бурения и крпеления скважины соответственно время на ликвидацию аварий и простои по организационно-техническим причинам соответственно механическая и рейсовая скорости бурения общая проходка на долото коэффициенты регрессии единичные векторы – кодированные значения i – го и j – го факторов в u – м опыте значение функции отклика члены взаимодействия удельное давление осевая нагрузка на долото площадь рабочей поверхности забоя сопротивление породы разрушению стоимость 1 ч работы буровой установки время, затраченное на спуско-подъёмные операции время спуско-подъемных операций в рейсе величина рейсовой скорости бурения проходка за рейс время бурения осевая составляющая веса бурильной колонны с учетом сил сопротивления момент электродвигателя постоянного тока момент сопротивления на подъемном валу барабана лебедки передаточное число трансмиссии РПД средний диаметр навивки каната на барабан лебедки частота вращения вала двигателя лебедки скорость подачи долота на забой кратность оснастки талевой системы КПД оснастки талевой системы реакция на долото со стороны забоя основная нагрузка на привод РПД СОКРАЩЕНИЯ спуско-подъемные операции акционерное общество товарищество с ограниченной ответственностью коробка перемены передач регулятор подачи долота буровая установка утяжеленные бурильные трубы шинно-пневматическая муфта коэффициент полезного действия полный факторный эксперимент система автоматического управления |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Поставленная Правительством РК перед нефтегазовой промышленностью задача о значительном увеличении объема добычи к 2015 году предусматривает интенсивное освоение и разработку новых нефтяных и газовых месторождений, в том числе и расширение эксплуатационной возможности шельфа Каспийского моря. Этот фактор значительно повлиял в последние годы на рост объема буровых работ.
В повышении эффективности процесса бурения, наряду с основными геологическими и технологическими факторами немаловажную роль играют также и технические факторы, которые преимущественно оказывают влияние на эффективность процесса, в частности на непроизводительное время бурения (время, затрачиваемое на простои, ремонтные работы, ликвидацию аварий и осложнений). Между тем известно, что, правильная комплектация буровой техники оказывает влияние на снижение не только непроизводительного времени, но и времени, затрачиваемой на комплекс спуско - подъемных операций. Время, затрачиваемое на механическое бурение и на спуско - подъемные операций, определяет основу рейсовой и технической скоростей бурения. Время, затрачиваемое на смену долота, приготовление бурового раствора, крепление скважины, ремонтно-восстановительные работы, устранение неисправностей, возникающих в период бурения и крепления скважины, а также ликвидацию осложнений, аварий и простои по организационно-техническим причинам, в совокупности определяет полную и коммерческую скорости бурения. Отсюда можно заметить степень влияния надежности и работоспособности буровой техники и их основных рабочих агрегатов и узлов на технико-экономические показатели процесса бурения.
Опыт эксплуатации буровой техники показывает, что скорость проходки скважины непосредственно зависит от работоспособности бурового инструмента, основным рабочим узлом которого является долото. Преждевременный износ долота существенно влияет на рост непроизводительного времени бурения и на снижение межремонтного времени бурового оборудования.
Преждевременному износу долота в основном способствуют два фактора: химический – зависящий от агрессивности разрушаемой горной породы, бурового раствора и промывочной жидкости, которые, в конечном счете, приводят к коррозии; механический – зависящий от твердости горной породы, прочности и долговечности долота, а также от силовых и кинематических характеристик их контактного взаимодействия. Существующие способы и технические средства, а также современные исследования, связанные с улучшением вышенаio0званных показателей в основном направлены на повышение долговечности и прочности непосредственно бурового инструмента, т.е. долота. Здесь применяются специальные смазывающие промывочные жидкости, высокопрочные материалы для изготовления режущих элементов долот, или же другие, так называемые, прямые методы улучшения износостойкости долота. Следует отметить, что эти методы не всегда оказываются эффективными. Это требует значительных затрат, что делает их не всегда доступными и эффективными.
С другой стороны, механический фактор износа долота, как было отмечено выше, происходит из-за колебаний силовых и кинематических параметров контактного взаимодействия долота и разрушаемой горной породы, характеризующиеся неравномерностью нагрузки на инструмент и его скорости подачи, колебанием твердости породы. Это обстоятельство требует от исследователей и инженеров-проектировщиков изыскания других (косвенных), эффективных научно обоснованных методов влияния именно на указанные механические факторы работоспособности бурового инструмента. При этом, предметами самостоятельных исследований, имеющих важное практическое значение в бурении являются разработка научно обоснованных методов управления кинематическими и динамическими параметрами бурового инструмента (колонны), а также способы и технические средства снижения процесса коррозии долота, от которых существенно зависит его износ.
Решение вышеуказанных проблем, прежде всего, связано с решением следующих задач: регулированием скорости или усилия подачи бурового инструмента на забой, а также разработкой комплекса физико-химических и технологических методов защиты долота от коррозии, каждый из которых требует разработки индивидуального подхода в исследовании и методики обоснования.
Данная диссертационная работа, являясь дальнейшим продолжением серии научных изысканий, начатых исследователем профессора Ахметова С.М. и к.т.н.,по данному направлению тематики, посвящена решению первого пункта из вышеуказанных задач, а именно, совершенствованию технических средств и технологии для регулирования режимных параметров при бурении скважин.
Основанием также для выполнения настоящей работы являлось недостаточное освещение в современной литературе сведений о разработанных методиках проектирования и моделирования, проведенных теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению, что привело к задержке применению таких перспективных способов совершенствования работоспособности долот. Приведенные в некоторых учебниках методики расчетов не совсем достаточны для научного обоснования практичности и эффективности этого направления для решения вышеупомянутой важной для практики бурения проблемы.
В этой связи проблема совершенствования системы регулируемой подачи буровых долот является весьма актуальной.
Объектом исследования являются регуляторы подачи долота (РПД) применяемые в технологии бурении, режимы бурения, рабочие процессы в муфтах применяемых в РПД в качестве механических датчиков нагрузки.
Цель работы. Разработка научно-обоснованных новых технических решений, направленных на снижение непроизводительных затрат при бурении скважин за счет совершенствования системы регулирования подачи долота.
Основные задачи исследования:
1) Исследование и анализ колебательных процессов в спуско-подъемной системе буровой установки и колонны буровых труб с учетом трения и влияния на динамику системы рабочих элементов тормозной системы буровой лебедки и на этой основе разработка теоретических предпосылок к совершенствованию регулирования подачи долота на забой;
2) Теоретическое исследование динамических процессов в рабочих элементах типовых приводов РПД и на этой основе обоснование нового технического решения по применению упругих муфт в качестве дополнительных датчиков нагрузки для усиления сигналов в системе управления подачей бурового инструмента на забой в установках для бурения скважин;
3) Оптимизация конструктивно-режимных параметров РПД с упругими механическими датчиками нагрузок в приводе и построение математических моделей рабочих процессов на основе многофакторного эксперимента, проведенных в условиях их применения в буровых установках структурно-поискового и эксплуатационного бурения скважин;
4) Разработка методики расчета конструктивных параметров предложенных муфт в качестве механических датчиков нагрузок, с учетом характеристик приводов РПД;
5) Разработка регламента отработки долот, практических и методических рекомендации по повышению технико-экономических показателей буровых долот за счет снижения факторов, влияющих на непроизводительные и производительные затраты.