Условия возникновения резонансных колебаний в бурильной колонне и методы их предотвращения

Помимо основной задачи представляет интерес решение задач по реальному вычислению синхронной скорости (частоты), а также решений, соответствующих устойчивым синхронным движениям. Сюда же относится выбор системы связи, при котором обеспечиваются существование и устойчивость синхронного движения заданного вида. Обратная по отношению к основной –– задача синтеза колебательной системы.Особый класс образуют задачи о синхронизации автоколебательных объектов, т. е. объектов (как правило, однотипных), каждый из которых, будучи изолированным от остальных, при определенных условиях может совершать движения, характеризующиеся некоторой частотой (угловой скоростью), называющейся парциальной частотой (парциальной скоростью) объекта. Задача о синхронизации заключается в установлении условий, при которых после объединения всех объектов в единую систему последние смогут совершать движения того же типа, но с одинаковой частотой (скоростью) или же с кратными частотами (скоростями), т. е. задачи о простой и кратной синхронизации динамических объектов. Здесь интересны задачи о действии вибрации на механизмы, содержащие вращающиеся роторы. Особенность этих систем состоит в том, что вибрации основания, на котором установлены механизмы, являются каналом передачи мощности (вращающего момента), причем«пропускная способность» этого канала при прочих равных условиях растет с увеличением частоты и амплитуды вибрации. Наличие указанной вибрационной связи (взаимодействия) приводит к ряду нелинейных эффектов, проявляющихся в задаче о самосинхронизации механических вибровозбудителей, где они приводят к взаимной согласованности средних угловых скоростей роторов. В бурении в качестве вибрирующего основания допустимо рассматривать вращающийся инструмент, точнее, колонну труб с корпусом ГЗД, в котором установлен вращающийся вал ГЗД с долотом.В практике решения задач широкое применение нашел способ определения вибрационных сил подбором подходящего аналитического выражения с применением экспериментальных и теоретических данных. Подобный подбор применяют в сложных случаях, когда решение, а иногда даже и составление уравнений затруднительно. Примером такого подхода являются так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Они используются и при изучении действия вибрации на тела типа бетонных смесей. Представляется, что только таким способом возможно решение задач в области вибраций механической системы бурильного инструмента. В потенциальном поле сил динамическая система бурильного инструмента представляет нелинейную неавтономную колебательную систему со многими степенями свободы, с тремя источниками энергии и возможностью существования автоколебательных режимов, а также явлений захватывания и затягивания. Трудность подбора решений для такой системы заключается в том, что эти решения чаще выполнены для систем с двумя степенями свободы, а два источника энергии занесены в особый класс задач. Для бурильного инструмента решены отдельные задачи, постановка которых, как правило, обусловлена субъективным восприятием рассматриваемого процесса вне тщательного анализа промыслового материала.Источники энергии в колебательной системе бурильного инструмента. Одним из доминирующих источников энергии в бурении скважин является сам бурильный инструмент, подвешенный на полиспастной системе, точнее, его потенциальная энергия, преобразуемая в кинетическую при перемещении и разгрузке на забой. Не менее значимым источником кинетической энергии является энергия привода вращения бурильного инструмента. И, наконец, энергиягидравлической системы буровой установки, передаваемая на забой для его очистки от выбуренной породы и привода.В самом общем случае передача и преобразование энергии сопряжены с возбуждением колебаний как в механических, так и в иных системах. В бурении, в явном виде, не вдаваясь в теоретическую подоплеку, это связано с дискретностью передачи энергии, поскольку даже с применением автомата подачи долота в первом случае эта дискретность сохраняется. Во втором случае дискретность преобразования электрической энергии или топливной (ДВС) в механическую, передаваемую инструменту через ротор, сопровождается накоплением источников возмущения колебаний от сил трения по трассе механической системы привода. Передача энергии через гидравлику наиболее сложная и наиболее продуктивная по числу источников возмущения колебаний, с некоторым демпфированием колебаний пневматическим компенсатором бурового насоса, что предупреждает систему от высокого резонанса гидравлических колебаний. Система настолько мощная, что не синхронизируется с механическими системами инструмента и кратный захват возможен лишь однотипной системы ГЗД, хотя сама «завязана» синхронизацией с колебательным процессом в буровом насосе. Влияние на механическую систему (положительное и отрицательное) оказывается изменением реологических свойств бурового раствора под влиянием вибрации, вибрационным смещением положения его равновесия, т. е. вибрационным уводом.В работе не рассматриваются автоколебательные процессы в силу их малого воздействия на процесс бурения. Рассматриваются схемы вынужденных колебаний, источниками возбуждения которых являются силы как внутреннего, так, в основном, внешнего трения.Колебания, возбуждаемые при работе шарошечного долотаВибрационные процессы, обусловленные работой шарошечного долота, вызваны, как минимум, тремя обстоятельствами: процессы, связанные с трением вооружения долота при разрушении горных пород; процессы, связанные с потерей устойчивости бурильным инструментом; вибрационные процессы в опорах долота. Другие процессы возбуждения колебаний в инструменте обусловлены первыми двумя или функцией долота в качестве опоры бурильного инструмента.Колебания шарошечного долота, обусловленные работой его вооруженияСложность вопроса колебаний шарошечного долота от взаимодействия его вооружения с горной породой заключается в традиционно отведенной ему роли возбудителя колебаний бурильного инструмента. Большое количество работ посвящено исследованию взаимодействия долота с забоем, где утверждается, что это основной источник колебаний инструмента. Как правило, из экономических посылов, в качестве модели забоя принимаются породы, твердость которых значительно выше пород, слагающих осадочный комплекс, и не отражает реалий бурения на нефть и газ. В отдельных случаях моделирование доводится до «бурения по стальному забою». Все гораздо проще и гораздо сложней. Прежде всего, шарошечное долото при работе его вооружения— это колебательная система со многими степенями свободы. В работе долота колебания разделяются на относительно высокочастотные, обусловленные разрушением горных пород основным вооружением, и низкочастотные, определяемые разрушением периферии забоя и дискретным его перемещением. Параметры колебательного процесса низкой частоты легко определяются из физико-механических свойств разбуриваемых пород и скорости бурения (амплитуда 0…3 мм для пород средней твердости, частота — акт продвижения забоя за 1…14 оборотов долота). Параметры колебаний высокой частоты вообще трудноопределимы.В бурении скважин главным источником энергии являются сам бурильный инструмент, его потенциальная энергия, преобразуемая в кинетическую, при перемещении и разгрузке на забой. Источником кинетической энергии являются также энергия привода вращения бурильного инструмента и энергия гидравлической системы буровой установки. Передача и преобразование энергии сопряжены с возбуждением колебаний посредством дискретности передачи энергии в механических системах и той же дискретности преобразования электрической энергии или топливной (ДВС) в механическую посредством возмущения колебаний от сил трения по трассе механической системы привода. Передача энергии через гидравлику с некоторым демпфированием колебаний является мощной системой, согласованной с колебательным процессом в буровом насосе, способной оказывать влияние на механическую систему вибрационным смещением положения его равновесия, т. е. вибрационным уводом.Вооружение шарошечного долота представляет колебательную систему со многими степенями свободы. Колебания в работе долота разделяются на высокочастотные при разрушении горных пород основным вооружением и низкочастотные при разрушении периферии забоя с дискретным его перемещением. Параметры колебаний низкой частоты легко определяются из физико-механических свойств разбуриваемых пород и скорости бурения. Колебания высокой частоты трудноопределимы.Вид колебаний меняется в широких пределах в зависимости от исходных параметров, которые могут изменяться при взаимодействии с породой даже одного зуба долота.Продольные и крутильные колебания от взаимодействия долота с забоем могут быть источником вынужденных колебаний инструмента и даже резонансных колебаний при приближении частоты вынужденных колебаний к частотам собственных колебаний (условие резонанса), но диссипативные свойства УБТ полностью рассеивают эти вибрации. Это подтверждают и зарубежные исследования.Виброударные системы шарошечного долота представлены подшипниками опор. Соударения между отдельными звеньями в этих системах – единственно возможные виброударные колебательные движения по условиям технологического процесса.ЗаключениеГлавным источником энергии в бурении скважин является сам бурильный инструмент, его потенциальная энергия, преобразуемая в кинетическую. Энергия привода и энергия гидравлической системы – также источник кинетической энергии. Передача и преобразование энергии в механические системы осуществляются возбуждением колебаний, в том числе от сил трения механической системы привода. Передача энергии через гидравлику также оказывает влияние на механическую систему через вибрационный увод.В данной работе приведен обзор основных колебаний, возникающих в процессе бурения, действия которых оказывают непосредственное влияние на бурильную колонну. В работе представлены основные виды колебаний, а также приведены рекомендации по борьбе с данными колебаниями.Список литературыЯнтурин А.Ш. Передовые методы эксплуатации и механика бурильной колонны. -Уфа: Башк. кн. изд-во, 1988. -168 с.;Янтурин А.Ш. Предупреждение аварий с колоннами бурильных труб. -М.: ВНИИОЭНГ, 1989. -53 с.;Некрасов А.М. О динамической составляющей осевойнагрузки при работе долот различных конструкций//Нефт. хоз-во. -1976. -№4;Янтурин А.Ш. Об основных видах продольных, крутильных и поперечных колебаний бурильной колонны. -М.: ВНИИОЭНГ, 2008. -№1;Синев С.В. Шарошечное долото как источник колебаний бурильной колонны // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2016. № 11. С. 24-31.