книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров
.pdfНа рис. 47 представлены |
зависимости вращающего момента |
на долоте от осевой нагрузки |
и отклоняющей силы, построенные |
на основании экспериментальных исследований по разрушению за боя п фрезерования стенки ствола в образцах известняка и мра
мора трехшарошечным долотом 1В-132С. |
зависимость |
||||
Сплошные |
линии на |
графиках характеризуют |
|||
^д(-Рос) |
при |
постоянной |
отклоняющей силе на долоте |
(50 п |
|
100 кгс), |
а пунктирные липни — зависимость М д ( Я 0т ) |
при |
посто |
||
янной осевой |
нагрузке |
(для известняка 100 и 360 кгс, а для мра |
||
мора |
100 и |
450 кгс) и |
скорости вращения 280 об/мин. |
|
Из |
рис. |
47 |
следует, |
что с увеличением осевой нагрузки в слу |
чае постоянной отклоняющей силы на долоте, а также с ростом
Р от и Р ос, кгс |
Р от ч Р о с , кгс |
а |
б |
Рнс. 47. Зависимости момента на долоте IB-I32C от осевой нагрузки и откло няющей силы при разбуривании известняка (а) и мрамора (б) с п—280 об/мин:
/ — Рот=50 кгс; 2 — Рот = 100 кгс: |
кгс; |
4 — Рос = 3G0 кгс: |
/-Л1д<еос): 1'~МЯ(Р0Т)
отклоняющей силы при постоянной осевой нагрузке, вращающий момент на долоте возрастает по прямо пропорциональной зависи мости, но с различной интенсивностью в зависимости от величины постоянного параметра на долоте и механических свойств разбу риваемых пород. При этом темп роста вращающего момента в за висимости от переменного параметра будет характеризоваться удельным моментом на этот параметр.
При разрушении забоя и фрезеровании стенки ствола в образце известняка (см. рнс. 47, а) удельный момент на осевую нагрузку тем выше, чем больше отклоняющая сила. Так, например, если отклоняющая сила на долоте 50 кгс, то удельный момент на осе вую нагрузку М' составляет для известняка 35,9 кгс • м/тс, а при
отклоняющей силе 100 кгс — 53,1 кгс • м/тс.
Аналогичная картина наблюдается и для случаев, когда постоянным параметром становится осевая нагрузка, а пере
менным—-отклоняющая сила. В этом случае удельный |
момент |
М"л тем выше, чем больше осевая нагрузка на долото'. Так, |
напри |
140
мер, если при осевой нагрузке 100 кгс удельный момент на откло няющую силу составляет 93,5 кгс-м/тс, то при осевой нагрузке 360 кгс он увеличивается до 129 кгс • м/тс.
С увеличением твердости разрушаемой породы и уменьшением коэффициента пластичности, т. е. переходом от известняка к мра мору, удельный момент на переменный параметр действующей на долото нагрузки снижается (см. рис. 47, б). При разрушении мра мора с постоянной отклоняющей силой на долото 50 и 100 кгс удельный момент /И' составляет соответственно 24,1 и 32,1 кгсХ
Хм/тс, а отклоняющий удельный момент М "д при постоянной осе-
Скорость Вращенияп,оВ/мин |
Скорость Вращения п, оВ/мин |
||
' |
а |
|
6 |
Рис. 4S. Зависимость момента на долоте 1В-132С от скорости вращения в про |
|||
цессе фрезерования |
известняка и мрамора при различных отношениях откло |
||
|
|
няющей силы к осевой нагрузке: |
|
я - Р ос=362 |
кгс: |
б - Р ос=453 кгс; |
1 - Р0Т/Р0,=0,20; 2 - Рот/Рос-0.10; |
|
|
З-^от^ос-О |
|
вой нагрузке на долото 100 и 450 кгс составляет соответственно
50,2 |
и 86,1 кгс • м/тс. |
Из приведенных данных, а также из графиков рис. 45 следует, |
|
что |
отклоняющий удельный момент больше удельного момента, |
т. е. |
М" > М' . Это означает, что для увеличения на единицу от |
клоняющей силы потребуется больший вращающий момент, чем для увеличения на единицу осевой нагрузки. Причем, чем больше пластичность разрушаемой породы, тем больше разница между указанными удельными моментами'на долоте. Так, при одинако
вых |
значениях |
постоянных |
параметров |
(осевой |
нагрузки |
||
или |
отклоняющей |
силы) 100 кгс удельный |
момент |
М" |
|||
больше удельного момента М' |
для известняка |
в |
1,75 |
раза, |
а для |
||
мрамора в 1,56 раза (см. линии 2 и 3 на рис. 47, а, б). При дру гих значениях постоянных и переменных параметров (осевая на грузка или отклоняющая сила, число оборотоз долота, механиче ские свойства породы, конструктивные особенности долота) раз ница между указанными удельными моментами на долоте может
141
изменяться в более широких масштабах. Поэтому для рациональ ного использования подводимого к долоту вращающего момента величина отклоняющей силы не должна превышать технологически необходимого значения, при котором обеспечивается достижение требуемой интенсивности искривления скважины.
На рис. 48 представлены зависимости вращающего момента на долоте 1В-132С от скорости вращения его при различных отно шениях отклоняющей силы к осевой нагрузке для известняка (Л>с = 362 кгс) и мрамора (Рос =450 кгс).
Из рис. 48 следует, что с увеличением скорости вращения до лота вращающий момент снижается по кривой гиперболического вида тем интенсивнее, чем больше отклоняющая сила на долоте и пластичность разрушаемой породы. Так, если при разбуривании известняка под осевой нагрузкой в 362 кгс увеличение скорости вращения долота 1В-132С в пределах 50ч-400 об/мин приводит к снижению вращающего момента на 47,3%, то при одновремен ном разбуривании его под указанной осевой нагрузкой и фрезеро вании стенки ствола под действием отклоняющей силы 36,2 и 72,4 кгс вращающий момент на долоте снижается соответственно на 58,1 и 64,5%.
В случае же разбуривания мрамора под действием осевой на грузки в 453 кгс увеличение скорости вращения долота 1В-132С в пределах 50ч-400 об/мин приводит к снижению вращающего мо мента на долоте на 44,2%, если одновременно с указанной осевой нагрузкой на долото действует отклоняющая сила в 45,3 и 113 кгс, то увеличение числа оборотов долота в отмеченных пределах при водит к снижению вращающего момента на долоте соответственно на 47,3 и 52,5%.
Из графиков на рис. 48 следует, что при одновременном раз буривании забоя и фрезеровании стенки ствола увеличение скоро сти вращения долота в пределах 50ч-190 об/мин приводит к более интенсивному снижению вращающего момента на долоте, а в диа пазоне 190ч-400 об/мин темп снижения вращающего момента не сколько уменьшается.
Значительное снижение вращающего момента на долоте от уве личения скорости вращения при одновременном действии на до лото осевой нагрузки и отклоняющей силы является результатом уменьшения внедрения зубьев шарошек долота в забой и стенку ствола, а также существенного снижения коэффициента трения ме жду шарошками, забоем и стенкой скважины, между корпусом до лота и стенкой ствола, между элементами опоры долота и т. д.
КОМПЛЕКСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН
Экспериментальное определение зависимости скорости вращения вала турбобура от отклоняющей силы на долоте
В процессе бурения искривленных скважин, за исключением случаев применения стабилизаторов кривизны и отклонителей, работающих на принципе асимметричного разрушения забоя на долоте, действует отклоняющая сила, направленная перпендику лярно его оси. Под действием этой силы происходит трение долота о стенки ствола и ее фрезерование.
Отклоняющая сила на долоте существенно влияет на число обо ротов вала турбобура и другие его энергетические параметры. Не смотря на значительный объем бурения наклонных скважин тур бобуром, вопрос о характере изменения энергетических парамет ров турбобура в зависимости от отклоняющей силы остается неизученным.
Для установления зависимости между скоростью вращения вала турбобура п и отклоняющей силой на долоте Р от на скв. 215 площади Сангачалы-дамба автором совместно с группой инжене ров [26] были проведены специальные эксперименты.
Турбобур с навинченным долотом был подвешен над устьем скважины и опущен в патрубок, установленный на роторе. Откло няющая (боковая) сила на долото передавалась безопасной (спи ральной) катушкой лебедки посредством стального каната, закреп
ленного за ниппель турбобура, |
и замерялась динамометром ДР-3 |
с ценой деления 50 кгс и предельной нагрузкой 3 тс. |
|
Скорость вращения долота |
(вала турбобура) определяли с по |
мощью гидротурботахометра ГТН-ЗМ и регистрировались на диа граммной ленте (рис. 49).
Опыты проводили при расходе промывочной жидкости 35,2 л/с, который определяли объемным способом. Плотность бу
рового раствора 1,26 г/см3, вязкость 35 с по СПВ-5. |
режиме |
|||
После запуска |
турбобура и |
работы его при |
холостом |
|
в течение времени, |
достаточного |
для получения |
надежной |
записи |
числа оборотов (обычно 3—5 мин), на долоте создавали и поддер живали отклоняющую силу определенной величины. Затем откло няющую силу увеличивали и фиксировали показания динамометра и гидротурботахометра. Увеличивать отклоняющую силу продол жали до полной остановки турбобура.
143
На рис. 50 представлены зависимости изменения числа оборо тов вала -турбобура Т12МЗ-9" от , величины . .отклоняющейсилы при работе с трехшарошечными долотами 2Д-394С и Б-269С.
Зависимость изменения числа оборотов турбобура от откло няющей силы при отсутствии осевой нагрузки на долото отвечает условиям зарезки нового ствола, когда с целью интенсивного фре зерования стенок скважины бурильную колонну поддерживают в положении мертвой точки. Подобные условия характерны также для случаев бурения с отклонителем, когда после разрушения за боя долото поддерживается в-прежнем положении,, чтобы дать возможность более интенсивно фрезеровать стенку ствола, а также
Рис. 49. Запись чисел оборо |
|
|
|||||
тов вала турбобура гидро |
|
|
|||||
турботахометром |
при |
раз |
|
|
|||
личных значениях отклоняю |
|
|
|||||
щей силы на долоте: |
|
|
Рис. 50. Зависимость энергетических парамет |
||||
/ - Р от=0; И |
Рот =0.7 |
тс: |
|||||
ров турбобура Т12МЗ-9 |
от отклоняющей силы: |
||||||
Ш |
- Р от = 1.| тс |
|
|
/ — долого 13-259С: |
2 — долото 2Д-394С |
||
|
|
|
|
|
|||
при работе на |
прямой |
трубе в искривленных скважинах, когда |
|||||
с целью |
уменьшения |
угла |
искривления ствола и выпрямления |
||||
скважины бурение осуществляется с навеса. |
|
||||||
Из рис. 50 следует, что увеличение отклоняющей силы на до лоте приводит к интенсивному уменьшению числа оборотов вала турбобура, причем на зависимость изменения числа оборотов вала турбобура от отклоняющей силы существенно влияет диаметр до лота. С уменьшением диаметра трехшарошечного долота при оди наковой величине отклоняющей силы число оборотов вала турбо бура больше и полная остановка турбобура наступает при боль шой величине отклоняющей силы на долоте. Например, если при холостом режиме работы турбобура Т12МЗ-9" скорость вращения вала составила 730 об/мин, то при значениях отклоняющей силы 400, 800 и 1200 кгс скорость вращения вала турбобура с трехша рошечным долотом 2Д-394С составляет соответственно 500, 405 и 330 об/мин, а с трехшарошечным долотом Б-269С соответственно 640, 550 и 400 об/мин. Если турбобур с трехшарошечным долотом 2Д-394С полностью останавливается при отклоняющей силе 1480 кгс, то с трехшарошечным долотом Б-269С турбобур останав ливается при отклоняющей силе 2000 кгс. Кроме того, диаметр
144'
трехшарошечного долота существенно влияет на темп уменьшения числа оборотов вала турбобура при увеличении отклоняющей силы. С уменьшением диаметра трехшарошечного долота темп уменьшения скорости вращения вала турбобура в зависимости от роста отклоняющей силы снижается, т. е. сброс числа оборотов турбобура на единицу отклоняющей силы на долоте при этом ста новится ниже. Так, при увеличении отклоняющей силы в диапа зоне 0ч-800 кгс сброс числа оборотов турбобура на каждые 100 кгс этой силы составляет: при трехшарошечном долоте 2Д-394С-34.4 об/мин, а при трехшарошечном долоте Б-269С—22,5 об/мин.
Тормозной режим в случае работы турбобура с трехшарошеч ным долотом 2Д-394С наступает в диапазоне отклоняющей силы 1200-i-1480 кгс, причем сброс числа оборотов вала турбобура на каждые 100 кгс этой силы составляет 118 об/мин, а с трехшаро шечным долотом Б-269С в диапазоне отклоняющей силы 1600 ч- -г-2000 кгс при сбросе числа оборотов вала турбобура на каждые 100 кгс этой силы — 75 об/мин.
Если сопоставить зависимости изменения числа оборотов тур бобура от величины отклоняющей силы на долоте с зависимостями изменения его от осевой нагрузки на долото [82], то можно отме тить, что они имеют примерно одинаковый характер. Отличие за ключается в том, что изменение числа оборотов турбобура от ре жима холостого вращения до полной остановки в зависимости от отклоняющей силы происходит при сравнительно меньшем диапа зоне изменения этой силы.
Полученные зависимости изменения числа оборотов турбобура от величины отклоняющей силы ввиду отсутствия осевой нагрузки на долото характеризуют работу турбобура в условиях, когда вал его под действием гидравлической нагрузки, веса вращающих ча стей турбобура, переводника и долота прижат сверху вниз. Повидимому, этим и объясняется то обстоятельство, что при режиме работы турбобура от холостого вращения до полной остановки диапазон изменений отклоняющей силы на долоте очень мал.
Можно полагать, что в случае действия на долоте осевой на грузки по мере уменьшения сил трения в опорах турбобура и раз вития им более высокого вращающего момента диапазон измене ния отклоняющей силы до полной остановки турбобура увеличится. Однако установление количественной связи между числом оборотов турбобура п отклоняющей силой при одновременном действии осе вой нагрузки требует проведения более широких эксперименталь ных исследований. Обработка экспериментальных данных мето дом наименьших квадратов позволила вывести эмпирическую фор мулу, характеризующую зависимость изменения числа оборотов вала турбобура от отклоняющего усилия
n = n p— aP 0X— bPlT, |
(104) |
где пр — число оборотов турбобура при |
РОт= 0; а, Ь— опытные |
Ю Заказ № 117 |
145 |
коэффициенты, значения которых для условий проведения опытов представлены в табл. 17.
Параметры
а, об/мин • кг2с Ь, об/мин • кгс п р , об/мин
|
|
|
Таблица 17 |
|
|
Шифр долота |
|
2Д-394С |
|
Б-269С |
|
- СЛ |
О |
|
|
•4 |
1 |
0,6 • 10-4 |
|
0.155 |
|
0,180 |
|
730 |
|
|
730 |
В предыдущей главе было показано, что вращающий момент на долоте в зависимости от отклоняющей силы выражается урав нением
уИд— уИ0-)-уИУдРат |
(105) |
Для выражения вращающего момента на долоте через число оборотов долота решим.уравнение (104)
-а + У а2 + АЬ (пр — п)
Tb |
(106) |
|
Знак в уравнении (106) выбираем исходя из граничного условия,
Рот = 0 при п = пр. Это условие |
соблюдается |
при |
знаке плюс. |
Тогда |
|
|
|
V а 2 + 4Ь (пр — п ) — а |
|
(107) |
|
|
Tb |
|
|
|
|
|
|
Подставив значение Р 0т из'выражения (107) в |
(105), получим |
||
Мд—М 0-(-Муд V а - + 4b (п р — п) |
■ а |
(108) |
|
|
Tb |
|
|
Мощность на валу турбобура |
(долоте) |
|
|
N . |
Мдп |
|
|
975 |
|
|
|
|
|
|
|
Выражения мощности на валу турбобура (долоте) через от клоняющую силу и число оборотов
|
К ± Му*РоЧ |
Рот_ |
ь р 1 ). |
(109) |
|
975 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
Y а.2 + |
46 (пр — п) •— а |
|
|
д 975 М 0+ М уд |
2Ъ |
|
( 110) |
|
На рис. 50 представлены зависимости изменения вращающего момента и мощности на долоте от отклоняющей силы. Из графика следует, что максимальная мощность на трехшарошечных долотах
146
2Д-394С и Б-269С достигается при отклоняющих силах соответст венно 900 и 1200 кгс и составляет 35 и 37 кВт при вращающих моментах 84 и 82 кгс-м. Нетрудно заметить, что турбобур при работе только под действием отклоняющей силы не развивает возможные мощность и вращающий момент. Расчеты показывают,
что турбобур Т12МЗ-9" |
при расходе промывочной |
жидкости |
35,2 л/с в случае работы |
только под действием осевой |
нагрузки |
10 тс развивает максимальную мощность 65 кВт при вращающем моменте на долоте Б-269С 160 кгс • м.
Проведенные опыты свидетельствуют о значительном влиянии отклоняющей силы и диаметра трехшарошечного долота на энер гетические параметры турбобура. Следовательно, при проходке наклонных скважин выбор параметров режима бурения и основ ных размеров отклоняющих компоновок должен быть осуществ лен с учетом диаметра долота и величины отклоняющей силы.
Характеристика турбобура при зарезке нового ствола
Процессы зар,езки нового ствола, а также бурения наклонных скважин в момент поддержания долота в положении мертвой точки с целью более интенсивного фрезерования стенки ствола и искривления скважины характеризуются тем, что на долото дей ствует только отклоняющая сила. Развиваемые при этом турбо буром энергетические параметры будут зависеть от модели и со стояния турбобура и долота, физико-механических свойств прохо димых пород и величины отклоняющей силы. Последняя будет изменяться в определенных пределах в зависимости от изменения диаметра и приращения искривления скважины на участке системы долото—турбобур, положения отклоняющей компоновки относи тельно азимута искривления ствола.
В рассматриваемом процессе создаваемой турбиной турбобура вращающий момент М затрачивается на преодоление сопротивле ний, встречаемых долотом Л4Д, в упорном подшипнике (пяте)
и в радиальных подшипниках Мпр
/И=Л4д+ М пп+ /И пр. |
(111) |
Вращающий момент на долоте при зарезке нового ствола опре деляется по формуле (94).
При отсутствии осевой нагрузки на долото |
|
yWnn= / rrc= ( / r0-|--!J-o/:,r) гс> |
(112) |
где F — сила трения в пяте турбобура в кгс; F о — сила трения, не зависящая от осевой нагрузки на пяту, в кгс; Рт — осевая нагрузка
на вал турбобура от действия гидравлической нагрузки, |
веса вра |
||
щающихся деталей турбобура, долота и переводника в |
кгс; |
гс — |
|
средний радиус трения |
поверхности контакта подпятника |
в см; |
|
Ро— коэффициент трения |
трущихся поверхностей пяты. |
|
|
1 0* |
147 |
|
Средний радиус трения |
|
|
|
|
|
гс |
1 I |
' |
|
(113) |
|
|
гп+ |
гв |
|
|
где |
гв — наружный и внутренний радиусы диска пяты в см. |
||||
|
Осевая нагрузка на вал турбобура |
|
|
|
|
|
Р г= Р ? + О р+ О д,„ |
|
(114) |
||
где |
Р°г— гидравлическая нагрузка |
на |
вал |
турбобура |
в кгс; Gv — |
вес вращающихся деталей турбобура |
в кг; |
G;i„ — вес долота и пе |
|||
реводника в кг. |
|
|
|
|
|
|
Гидравлическая нагрузка на вал турбобура |
|
|||
|
rut2 |
|
|
|
(П5) |
|
^ ! = - г Ч / Ч - Л , + р .п), |
||||
где dcp— средний расчетный диаметр турбины в см; Р — перепад давления в турбине в кгс/см2; Рп— потери давления в верхнем узле турбобура в кгс/см2; Ряп — потери давления в долоте и пе реводнике в кгс/см2.
Потери момента в радиальных опорах турбобура складыва ются из потерь моментов в нижней МР{, первой МРч и второй МРз
средних опорах и в радиальной части пяти МР/, |
т. е. |
/=■1 |
|
м п р = 2 ^ Р,. |
(иб) |
/= 1 |
|
Значение Мр. определяется из выражения |
|
МР/= '- ,( Л + К-/М,от), |
(117) |
где г,-, Fj — соответственно наружный радиус втулки в см и сила трения в кгс, не зависящие от Рот, в соответствующей радиальной опоре; р,-— коэффициент трения; Ь* — коэффициент, учитывающий распределение Р0т в радиальных опорах турбобура *.
Следовательно
|
/ = |
4 |
|
•/1'1пт= |
Гс (Т^о-Ьро/3r ) r 2 |
ri ( 5 ( “НА/А ^от)• |
(118) |
|
/= 1 |
|
|
Момент, развиваемый турбиной турбобура, |
|
||
|
УИ=;ИТ( 1 - ^ - ) ., |
(119) |
|
где Мт — тормозной |
момент турбины в кгс-см; пх — скорость вра |
||
щения турбины при холостом режиме в об/мин. |
|
||
* А. А. Ахмедов, Э. Б. Мамедзаде. О моменте трения в радиальных опорах турбобура.— «Азербайджанское нефтяное хозяйство», 1973, № 6.
148
Подставив в уравнение |
(111) |
значения |
М, |
/Ид и Мпт и |
при |
|
няв обозначения: |
|
/ = 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = r CF 0-(- 2 г>Рi> |
|
|
|
|||
В \— 'Wc; |
/= i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
( = 4 |
|
|
|
|
|
в 2= |
/2= 1^ biri ; |
|
|
|
|
|
получим |
|
|
|
|
|
|
— — j = y i /l 0 - |
f |
- |
- |
A |
‘ Р от- |
( 1 2 0 ) |
Уравнение (120) позволяет получить основные параметры, ха рактеризующие холостой, тормозной и рабочий режимы работы турбобура, для условий зарезки нового ствола.
При холостом режиме отклоняющая сила на долоте РОт = 0 и
вал турбобура имеет разгонное число оборотов |
(п = пр). |
Тогда |
|
М0= М Т(l - J ^ - A - B , P T. |
(121) |
Опыты показывают, что у нормально собранных турбобуров разгонное число оборотов составляет примерно 80% холостых обо ротов [71].
Значение отклоняющей силы Ртот, при котором наступит оста
новка турбобура (тормозной режим), определится |
из уравнения |
||
(120) при условии, что п = О |
|
|
|
р т __М т — М 0 — А — B jP ,. |
( 122) |
||
от |
м ;л + в 2 |
||
|
|||
Формулой (122) можно |
пользоваться для тех |
условий, когда |
|
при увеличении отклоняющей силы будет иметь место плавное снижение числа оборотов вала турбобура вплоть до полной оста новки. Однако в практических условиях, в особенности при раз рушении пластичных пород, после достижения некоторых мини мальных значений числа оборотов пт \п, составляющих примерно 150-4-200 об/мин, в случае дальнейшего незначительного увеличе ния отклоняющей силы турбобур останавливается. Чем больше пластичность горных пород, тем больше величина nmln. С учетом изложенного, значение Р *т должно быть определено из уравнения
(120) при условии, что П = |
ПтЧ\ |
0Т |
(123) |
м ; а + в 2 |
Отметим, что из практики проходки наклонных скважин изве стны случаи, когда турбобур с отклонителем, находясь в плоскости наименьшего напряженного состояния, т. е. в плоскости искривле
на