Крутильно-продольные колебания бурильной колонны с долотом режущего типа

• Автор: Ветюков, Юрий Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Введение з
0.1 Роторное бурение
0.2 Обзор литературы
0.3 Краткая характеристика и содержание работы
1 Определяющие соотношения при бурении
1.1 Сила, действующая на один резец
1.2 Долото с плоской рабочей поверхностью и дискретно расположенными резцами
1.3 Распределённые резцы
1.4 Определяющие соотношения
2 Аналитическое исследование устойчивости движения в моделях бурильной колонны
2.1 Общие свойства рассмотренных моделей
2.2 Одна степень свободы: учёт податливости бурильных труб
2.3 Одна степень свободы: учёт двигателя
2.4 Две степени свободы: учёт двигателя
2.5 Две степени свободы: податливость бурильных труб на растяжение
2.6 Три степени свободы
2.7 Четыре степени свободы
2.8 Полубесконечная система с распределёнными параметрами
3 Динамика взаимодействия долота и породы
3.1 Область применимости определяющих соотношений
3.2 Движение долота при действии постоянных силовых факторов

3.3 Режимы взаимодействия долота с породой и переходы между
НИМИ 4 Численный анализ динамики бурильной колонны 79
4.1 Постановка проблемы
4.2 Числовые значения параметров и стационарный режим
4.3 Численное решение уравнений движения в режиме бурения
4.4 Устойчивость режима стационарного бурения
4.5 Моделирование существенно нелинейных режимов
4.6 Движение системы при заданном вращении верхнего сечения
4.7 Срыв автоколебательного режима
Заключение
Список литературы

0.1 Роторное бурение
0.1.1 Предпосылки к рассмотрению проблемы
Истощение разрабатываемых в мире нефтяных и газовых месторождений приводит к необходимости разбуривания новых скважин. Так, по данным [32] только в нефтяной промышленности в 1992 году в мире было пробурено более 56 тысяч скважин, причём новые выработки происходят преимущественно на глубине нескольких километров под поверхностью земли. Расходы, связанные с нефтеразведкой и бурением, в 1990 году в США составили порядка 11 млрд. долларов. От добычи полезных ископаемых из больших естественных резервуаров постепенно приходится переходить к менее крупным резервуарам, что также требует более частого и технологичного бурения новых скважин. Вследствие этого, современное нефтегазовое бурение представляет собой экономически важный и технологически сложный процесс. Установка для бурения глубоких скважин сравнима по своим масштабам с заводом, и стоимость оборудования весьма высока. Экономические факторы делают задачу повышения эффективности бурения, изучения возникающих трудностей и поиска путей к их устранению важным объектом как практического, так и теоретического рассмотрения. Ценность исследования процесса бурения вместе со сложностью и многогранностью присущих ему физических явлений приводит к большому количеству научных исследований, посвящённых данному вопросу. Одной из наиболее изучаемых и, тем не менее, до сих пор не полностью решённых проблем при глубинном бурении является проблема нежелательных вибраций бурильной колонны.
Несмотря на применение электронного оборудования, в большинстве случаев бурение остаётся в первую очередь механическим процессом. Проч-

свидетельствует о неустойчивости рассматриваемого стационарного режима.
Такой результат, как неустойчивость стационарного вращения в этой модели, прост для понимания. Используется падающая характеристика зависимости момента сопротивления бурению от угловой скорости, и в системе отсутствуют механизмы подавления самовозбуждения. Попытаемся исследовать проявление таких механизмов в более сложных моделях.
2.3 Одна степень свободы: учёт двигателя
2.3.1 Уравнения движения и стационарные режимы
Снова рассмотрим систему с заданным постоянным поступательным вертикальным движением. Однако попытаемся более детально изучить влияние части системы, расположенной на поверхности, на устойчивость равномерного вращения. Предполагая глубину скважины малой и бурильную колонну короткой, пренебрежём на данном этапе её податливостью. Будем считать бурильную колонну вращающейся вместе с долотом как единое твёрдое тело, т.е. (р = ра- Тогда динамика системы будет определяться соотношением
(/+ Ъ)ф = -Т + Та. (2.9)
Используя соотношения для силовых факторов (2.1) и (2.2), получим уравнения движения
(./ + Ja)^P + А— + В — Р + С}ф = 0. (2.10)
Для возможности непрерывного бурения, очевидно, максимальный крутящий момент двигателя Р должен превышать минимальный момент сопротивления вращению долота со стороны породы В, то есть
Р>В. (2.11)