|
Оглавление
Введение
Из всех существующих в настоящее время областей техники глубокое бурение выделяется тем, что между долотом, разрушающим горную породу на забое скважины, и источником энергии, находящимся на дневной поверхности, расположена бурильная колонна, представляющая собой упругое тело весьма большой протяжённости и малого поперечного размера. В процессе бурения скважины бурильная колонна (БК) контактирует со стенкою скважины и посредством породоразрушающего инструмента с забоем, причём возникающие при этом усилия носят, как правило, нелинейный характер. Короче говоря, с точки зрения механики она представляет собой механическую систему с распределёнными параметрами с наложенными на неё нелинейными связями, то есть нелинейную диссипативную систему с распределёнными параметрами. В подобных системах при определённых условиях возникают автоколебания – незатухающие колебания, поддерживаемые внешними источниками энергии, вид и свойства которых определяются самой системой. Автоколебаниям посвящено значительное количество публикаций, однако в большинстве из них анализируются системы с сосредоточенными параметрами. Но и в этих случаях в математическом плане многие из них описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, что зачастую приводит к значительным трудностям. Что же касается систем с распределёнными параметрами, описываемыми дифференциальными уравнениями в частных производных, а именно к подобным системам относится бурильная колонна, то в данных случаях сложность исследований резко возрастает. Эта сложность вызвана, с одной стороны, большим многообразием подобных систем, и, с другой стороны, трудностями решения уравнений в частных производных. Те же относительно немногие задачи, решенные в данной области, показывают, насколько разнообразнее характер поведения механических систем с распределенными параметрами по сравнению с аналогичными механизмами, относящимися к классу систем с сосредоточенными параметрами. Необходимо особо отметить, что подведение энергии к породоразрушающему инструменту посредством такого привода, каковым является бурильная колонна (весьма протяжённое упругое тело с малым поперечным размером), может существенно исказить картину разрушения породы, наблюдаемую в лабораторных условиях, и причина этого – именно волновые процессы, формирующиеся в колонне при углублении забоя. При этом указанное искажение во многих случаях возникает при работе БК в режиме автоколебаний. Данная книга в первую очередь предназначена тем, кто решил посвятить себя научно-исследовательской работе: студентам и аспирантам, а также преподавателям, инженерно-техническим работникам и всем, кто интересуется задачами механики бурения глубоких скважин. Она включает ряд результатов исследований, полученных при выполнении темы «Проектирование эффективных режимов бурения нефтяных и газовых скважин в условиях неопределенности, порождаемой характером взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой» (код инициативного проекта 93-05-8977), выигрывавшей гранты РФФИ в 1993-95 гг., научным руководителем которой являлся автор настоящей книги, а также материалы, которые были использованы им при подготовке и чтении в течение ряда лет курса лекций «Волновые процессы при бурении нефтяных и газовых скважин» студентам РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, а затем спецкурса «Динамика глубокого бурения» - студентам Московского физико-технического института. Заключение
Итак, как следует из изложенного материала на процесс разрушения горной породы при углублении забоя скважины, а также на долговечность бурильного инструмента существенное влияние оказывают интенсивные низкочастотные колебания бурильной колонны – автоколебания и продольный резонанс. При этом условия возникновения колебаний указанных видов определяются как режимными параметрами бурения, так и механическими характеристиками БК, зависящими от её компоновки. Тем не менее и в настоящее время при создании методов оптимизации режимов бурения наблюдается игнорирование, в подавляющем числе случаев, бурильной колонны, механика которой может существенно влиять на закономерности взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем. Обычно предлагаются рекомендации либо полуэмпирического либо чисто эмпирического характера вне какой-либо связи с фундаментальными законами механики. Это замечание относится, в первую очередь, к области, непосредственно связанной с разрушением горных пород на забое скважины. Так, например, до сих пор в большинстве публикаций можно прочитать, что низкочастотные продольные колебания большой амплитуды возникают из-за «ухабистости» забоя, колебаний давления жидкости, «разновысокости» шарошек. Возникшие продольные колебания при этом вызывают изменение осевой нагрузки на долото и связанного с ней крутящего момента, что вызывает крутильные колебания. Более того, сам термин «ухабообразный» забой подразумевает факт неоднородности различных частей поверхности забоя по механическим свойствам (напрашивается сравнение с экипажем, движущимся по просёлочной дороге). Однако, как показывают изложенные материалы, волнистый забой формируется и в однородной породе в отсутствии колебаний давлений жидкости, разновысокости шарошек (...), а так же и в отсутствие зубцов (...). Более того, именно крутильные автоколебания служат причиной продольных автоколебаний БК в результате чего и образуются волнистые забои как при разрушении неоднородной, так и однородной породы. Далее, крутильные и продольные автоколебания, как и продольный резонанс БК, существенным образом искажают математические модели углубления забоя в зависимости от режимных параметров. Короче говоря, без учёта влияния динамики БК на процесс бурения создать методы оптимизации просто нереально: об этом говорит и превеликое множество моделей углубления забоя, предложенных различными авторами. Следовательно, пренебрежение учётом воздействия бурильной колонны на закономерности разрушения горных пород способно привести вместо повышения показателей бурения к прямо противоположным результатам. Поэтому хочется ещё раз напомнить, что породоразрушающий инструмент (долото) расположен между забоем и бурильной колонной, а потому при проектировании режимов бурения учёт механических характеристик бурильной колонны не менее важен учета соответствующих характеристик горных пород и породоразрушающего инструмента. Об авторе
 Юнин Евгений Константинович Доктор технических наук. Окончил конструкторско-механический факультет МВТУ имени Н. Э. Баумана и механико-математический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова. Работал конструктором в КБ общего машиностроения, старшим научным сотрудником отраслевой научно-исследовательской лаборатории при кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина, главным научным сотрудникои Института проблем нефти и газа РАН. Подготовил курс лекций «Волновые процессы при бурении нефтяных и газовых скважин», который он в течение нескольких лет читал студентам РГУ нефти и газа. В Московском физико-техническом институтев Е. К. Юнин читал спецкурс «Динамика глубокого бурения» .
Занимался решением проблем математического моделирования процесса взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой и динамики бурильной колонны. Изучал динамические процессы в механических системах с распределенными параметрами с наложенными на них нелинейными связями. Автор около 100 работ, в том числе 8 монографий и 4 учебных пособий. Обладатель 8 авторских свидетельств. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||