книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

Таблица 5

Динамика осевых нагрузок, амплитуда и частота вибраций при ступенчатом повышении осевых нагрузок и при работе долота на забое с заторможенной лебедкой (турнейский горизонт скв. 351,

G3a6-

Начало разбуривания шарошек сопровождалось колебаниями

щений достигала 0,6 мм.

Резкое возрастание G3a6 приводит к мгновенному повышению мощности, что видно из кривой изменения мощности (рис. 5, в).

Из осциллограммы видно, что двигатель развивает мощность, соответствующую моменту сопротивления на долоте, через 1/50 с.

30

В результате проведенных исследований стали известны для указанных условий характер колебаний осевых нагрузок, ампли­ туды и частоты вибраций, что важно для расчета деталей и узлов

Рис. 5. Запись вибраций бурильной колонны и динамики осевой нагрузки над электробуром (крепкие породы турнейского горизонта, скв. 351, п=165 об/мин):

1—4 — то же, что и на рис. 4.

а — без использования УБТ, осевая нагрузка 18—19 тс; б — с исполь­ зованием 25 м УБТ через несколько секунд после потери двух шаро­ шек зубчатого трехшарошечного долота; в — с использованием 25 м УБТ в процессе разбуривания штыревым трехшарошечным долотом оставленных двух шарошек; г — без использования УБТ в процессе работы долота на забое, когда среднее значение осевой нагрузки

снизилось до б тс.

электробура. Максимальные осевые нагрузки при динамических изменениях значительно превышают статические. В некоторых слу­ чаях максимальные динамические осевые нагрузки при нормальном

31

процессе бурения превышают статические в 2 раза, а в ава­ рийном режиме (при потере шарошек и их разбуривании) нагрузки могут достигать 25 тс в течение 1/100 с. Причем удары большей

„ 3п |-г

или меньшей силы происходят периодически с частотой -ед-. Про­

должительность разбуривания шарошек, как установлено записью, может длиться два рейса. Временами шарошки могут подниматься над забоем, при этом наблюдается нормальный режим.

Вращающий момент, скорость вращения, мощность электробура

Вопрос о величинах мощности, вращающего момента и скоро­ сти вращения, необходимых для эффективной работы долота, всегда был одним из основных при бурении глубоких скважин. В начале развития электробурения параметры электробура были определены ориентировочно, исходя из опыта роторного и турбин­ ного бурения.

32

750 об/мин. При использовании 295-мм долота электробуры Э250-8 обеспечили высокопроизводительный режим бурения при высо­ ких значениях осевой нагрузки. Однако вопрос об оптимальной скорости вращения и о характеристиках электробуров для долот других размеров долгое время не находил окончательного ре­ шения.

Для определения наиболее приемлемых параметров забойных машин, обеспечивающих высокоэффективный процесс бурения, не­ обходимо провести исследования. Эффективность бурения зависит от свойства породы, конструкции долота (количество и форма зубьев, распределение их по поверхности шарошки, конструкция, число и расположение шарошек, прочность и износостойкость зубьев и опор, конструкция режущих элементов и др.), интенсив­ ности очистки забоя и способа выноса выбуренной породы, осевой нагрузки на долото и его скорости вращения.

При установлении режимов бурения определяют необходимые величины мощностей и вращающих моментов, оптимальные ско­ рости вращения долота и осевые нагрузки, а кроме того, удельный расход энергии на единицу объема выбуренной породы. При ро­ торном и турбинном способах бурения исследование этих парамет­ ров затруднено, поскольку отделить или измерить энергию, затра­ чиваемую на непосредственное вращение долота, с достаточной для анализа точностью трудно.

При электробурении можно довольно точно определить расход энергии на вращение долота, а также ряд зависимостей между мощностью, потребляемой долотом, осевой нагрузкой, механиче­ ской скоростью бурения и другими параметрами. В связи с этим на протяжении ряда лет проводили многогранные исследования режимов бурения электробурами и параметров забойных двига­ телей '.

Исследования проводили при бурении скважин в осадочных породах различных районов страны и в кристаллическом фунда­ менте месторождений Башкирии.

Полученные в результате исследований зависимости механиче­ ской скорости бурения и проходки на долото от скорости вращения долота, осевой нагрузки, количества и качества агента, выносящего выбуренную породу, а также величины удельных моментов, необ­ ходимых для бурения в различных породах трехшарошечными и алмазными долотами, долотами типа ДИР с промывкой жидко­ стью, а также для бурения трехшарошечными долотами с продув­ кой забоя воздухом дали возможность не только оценить характе­ ристики существующих серийных электробуров, но и установить характеристики новых более производительных машин.

Электробурами Э215-8, Э215-10, Э170-8, Э170-10, Э250-10, Э250-8 было пробурено много промышленных скважин. При этом1

1 Работы проводились «лабораторией технологии электробурения», руково­ димой автором.

34

использовали опытные образцы высокомоментных редукторных и секционных электробуров, частоторегулирующие установки для из­ менения скорости вращения долота, различные системы поддер­ жания напряжения с целью повышения величины вращающего момента двигателей, работающих на большой глубине, и другие технические средства.

Основные результаты исследований приведены в гл. 10 настоя­ щей книги. Согласно этим исследованиям механическая скорость бурения при повышении осевой нагрузки возрастает, причем при реальных допустимых на долото нагрузках с повышением меха­ нической скорости возрастает и проходка на долото. Увеличение механической скорости бурения с повышением осевой нагрузки характерно только для бурения с жесткой характеристикой двига­ теля, каким является электробур.

Область режимов бурения с осевыми нагрузками 20—35 тс для 269-мм долота и 15—24 тс для 190-мм долота с электробурами указанных типов оставалась не реализованной. В связи с этим оказалось необходимым существенно повысить вращающий момент электробуров как в безредукторном исполнении при скоростях п = 400—680 об/мин, так и в редукторном исполнении при п = 70— 220 об/мин.

На основе проведенных исследований были приняты следующие исходные величины: вращающий момент, отнесенный к площади забоя 0,5 кгс • м/см2; осевая нагрузка, отнесенная к площади забоя, 35—70 кгс/см2; перегрузочная способность двигателей 2,2 Мном.

Воснову расчетов мощности, вращающих моментов и скорости вращения вновь создаваемых и модернизируемых электробуров были положены результаты измерений величин вращающего мо­ мента, затрачиваемого на вращение различных долот, а также величины осевых нагрузок, при которых достигались лучшие пока­ затели работы долот.

Вкачестве параметров, достаточно полно характеризующих забойный двигатель, приняты: мощность, номинальный и макси­

мальный моменты, отнесенные к единице площади забоя, т. е.

Отношение Мном/Тзаб определяет величину длительно допусти­ мой осевой нагрузки.

Отношение Mmajs./F3&6 определяет перегрузочную способность, имеющую решающее значение при бурении в породах, обусловли­ вающих пикообразный характер момента сопротивления на долоте, и, по существу, определяет собой предел осевой нагрузки, с кото­ рой можно вести бурение.

Отношение Уном/^заб характеризует уровень удельной мощно­ сти, реализуемой на бурение, и в значительной степени определяет механическую скорость бурения. Величина NBом определяет нагрев машины в условиях охлаждения.

Для уяснений физического смысла зависимости указанных па­ раметров от площади забоя целесообразно рассмотреть работу лопастного долота при определенном удельном давлении на гор­ ную породу а.

Вращающий момент, необходимый для вращения долота, про­

Введение я весьма удобно для энергетической оценки процесса.

{h — проходка).

Выражая проходку произведением механической скорости буре­ ния на время h = vt, запишем

36

т. е. механическая скорость бурения прямо пропорциональна мощ­ ности, подведенной к долоту, и обратно пропорциональна площади забоя и удельному расходу энергии на единицу объема выбурен­

менном п механическая скорость будет разная для различных зна­ чений п.

Трехлопастное долото можно рассматривать как двухлопастное с увеличенной площадью контакта с забоем. Трехшарошечные до­ лота можно рассматривать так же, как трехлопастное, но с другим значением коэффициента пропорциональности с2, характеризую­ щим иное взаимодействие породоразрушающих элементов долота с забоем.

Анализ энергетических данных и расчеты удельного расхода энергии, выполненные для нескольких тысяч рейсов долотами раз­ личных типоразмеров с электробуром, а также систематические анализы режимов бурения, выполненные с долотами и электробу­ рами различных типоразмеров, подтверждают обоснованность при­

Для того чтобы забойный двигатель обеспечил устойчивую ра­ боту при Мном/Кзаб= 0,5 кгс-м/см2, необходимо, чтобы кратность опрокидывающего момента Мном/^заб ^ 2,2.

Требование о перегрузочной способности является важным, так как при значительной глубине скважины из-за увеличенного сопро­ тивления кабеля снижается перегрузочная способность, в то время как номинальный момент поддерживается путем повышения на­ пряжения переключением анцапф трансформатора или другим способом.

Опыт бурения показал, что при Мвом/Дзаб ^ 0,5 кгс • м/см2 и МщахШяом ^ 2,2 обеспечивается режим бурения в различных гео­ логических условиях разными долотами при любых допускаемых осевых нагрузках на долото.

Опыт и исследования параметров режимов бурения показали, что целесообразная скорость вращения трехперых и шарошечных долот в верхних интервалах составляет не более 700 об/мин. В не­ которых верхних и большинстве нижних интервалах скважин целесообразная скорость вращения долота находится в пределах 70—300 об/мин. Для алмазных долот целесообразная скорость вращения для большинства горных пород составляет 700 об/мин и более.

37

ГЛАВА 2

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОБУРОВ

а также специфическими условиями работы электробуров. Пара­ метры двигателей электробуров выходят за пределы норм, устано­ вившихся для серийных электрических машин общего назначения.

Хотя расчет длины и диаметра магнитопровода двигателей электробуров своеобразен, однако их соотношение и связь с энер­ гетическими параметрами определяется известным уравнением Арнольда

в гс; А — линейная нагрузка в А/см; Коб — коэффициент обмотки. Величина СА постоянна для данного уровня развития электро­ машиностроения. Она определяется степенью использования мате­ риалов, применяемых в электрической машине — материал магни­ топровода, обмотки и изоляционные материалы, т. е. величину Сл можно изменить только улучшением магнитопроводности мате­ риала сердечника, электропроводности материала обмотки и элект­ рической прочности изоляционных материалов, применяемых для

изготовления двигателя.

Величина вращающего момента двигателя М пропорциональна

т. е. величина М при данном значении СА пропорциональна объему магнитопровода, в частности пропорциональна длине магнитопро­ вода U и квадрату диаметра его расточки D2

Величина мощности при данном значении СА пропорциональна объему магнитопровода и скорости вращения двигателя. Следова­ тельно, в данном объеме магнитопровода мощность двигателя можно повышать путем увеличения скорости вращения, что дости­ гается уменьшением числа полюсов. Эта особенность обусловли­ вает возможность совершенствования конструкции и характеристик электробуров.

Так как наружный диаметр электробура, а следовательно, и диаметр расточки статора ограничены диаметром скважины,

38

а удельная величина вращающего момента Ma/F3аб, необходимая для эффективного процесса бурения наиболее распространенными трехшарошечными долотами, должна быть не менее 0,5 кгс • м/см2, то длина магнитопровода составляет около 7 м. Такая длина, как показал опыт, оказалась технически выполнимой, но в то же время предельной по техническим условиям изготовления, надежности и эксплуатации.

Отношение длины магнитопровода к полюсному делению в дви­ гателях электробуров составляет 40—160 (рис. 7), в то время как

уменьшить расход энергии на циркуляцию промывочной жидкости. Кроме того, питание забойного двигателя при высоком напря­ жении приводит к уменьшению падения напряжения в токоподводе, в особенности при перегрузках, так как при длинной линии передач повышенный перегрузочный ток приводит к значительному падению напряжения, и следовательно, снижению напряжения на

зажимах забойного двигателя.

Однако вследствие повышения напряжения снижается коэффи­ циент заполнения паза статора вследствие увеличения толщины корпусной изоляции, числа витков и объема межвитковой изоля­ ции. Снижение же коэффициента заполнения паза приводит к су­ щественному снижению мощности, особенно в двигателях неболь­ ших диаметров.

В связи с изложенным выше при проектировании электробуров приходится отказываться от стандартной шкалы напряжений и

39