Теория и методика расчета гидравлического нагружателя при бурении забойными двигателями
гидравлический нагружатель долото бурение
В последние годы для повышения эффективности наклонно-направленного и горизонтального бурения получают распространение гидравлические нагружатели долота. В статье рассматриваются теория и методика расчета нагружателя при бурении скважин забойным двигателем. Представлены основные расчетные зависимости и критерии подобия данной гидромеханической системы. Предложен алгоритм расчета гидравлического нагружателя для заданных условий бурения долотами различного типа и приведены конкретные примеры его применения в случае использования винтового забойного двигателя (ВЗД). Проанализировано влияние диаметра поршня, баланс распределения давления в элементах системы «нагружатель - ВЗД - долото» и способы регулирования режимных параметров в процессе бурения скважины. Представлены научно обоснованные рекомендации по эффективному практическому применению гидравлического нагружателя долота.
В конце прошлого столетия в связи с развитием технологий наклонно-направленного и горизонтального бурения возникла проблема доведения осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент в процессе бурения с использованием забойных двигателей при невращающейся колонне труб.
Одним из эффективных и конструктивно простых решений в этой области является применение гидравлических нагружателей, устанавливаемых в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) над забойным двигателем или непосредственно над долотом.
Идея введения в состав КНБК дополнительного гидромеханического устройства на базе поршня со штоком под общим названием «забойный механизм подачи», поддерживающего осевую нагрузку на долото пропорционально перепаду давления в забойной компоновке независимо от веса колонны, начала осуществляться еще в 50-х годах прошлого века в виде различных экспериментальных образцов и патентных предложений [1].
На современном этапе работы по созданию забойных гидравлических нагружателей (ГН) для повышения эффективности наклонно-направленного и горизонтального бурения проводят НПО «Буровая техника», НПК «Буринтех», АО «Пермнефтемашремонт» и ряд зарубежных компаний [2 -- 8].
Несмотря на некоторые конструктивные отличия, ГН выполнены по общей принципиальной схеме и представляют собой телескопическое устройство, состоящее из цилиндра, жестко связанного с колонной бурильных труб и находящегося внутри него поршня, соединенного через шток с корпусом забойного двигателя или породоразрушающего инструмента.
Осевое перемещение долота в процессе разбуривания забоя происходит изолированно от технологического инструмента (протяженной колонны труб, находящейся в стволе скважины и подверженной влиянию упругих и фрикционных сил) за счет перепада давления в забойном двигателе и долоте при циркуляции бурового раствора. В результате возникает постоянно действующая нагрузка на долото и уменьшаются колебания забойного инструмента. Таким образом, ГН обеспечивает и вторую функцию - снижение вибрационных нагрузок на элементы КНБК, включая телеметрическую систему, поэтому в обобщенном виде ГН можно рассматривать и как амортизатор [6, 7].
Теория рабочего процесса и методика расчета гн до настоящего времени разработаны недостаточно полно, что не позволяет обеспечить наилучшие технико-экономические показатели применения гн в зависимости от сочетания характеристик забойного двигателя, породоразрушающего инструмента и разбуриваемых горных пород.
В результате промысловых исследований установлено, что эффективность применения ГН в наклонных и горизонтальных скважинах достигается за счет увеличения механической скорости бурения и долговечности работы долот, а также уменьшения ударных нагрузок и сокращения числа отказов элементов КНБК.
Несмотря на проведенный широкий круг опытно-конструкторских работ и промысловых исследований, теория рабочего процесса и методика расчета ГН до настоящего времени разработаны недостаточно полно, что не позволяет обеспечить наилучшие технико-экономические показатели применения ГН в зависимости от сочетания характеристик забойного двигателя, породоразрушающего инструмента и разбуриваемых горных пород.
Целью настоящей статьи является устранение этого пробела в теории, что предполагает осуществить:
- разработку теории рабочего процесса и методики расчета гидромеханической системы «нагружатель - забойный двигатель - долото - забой скважины»;
- классификацию критериев подобия системы и анализ влияния изменения переменных параметров на характеристики ГН и диапазон возможного регулирования осевой нагрузки;
- выдачу практических рекомендаций по выбору конструктивных и эксплуатационных параметров ГН для заданных условий бурения, а также оценку возможных технологических способов регулирования режимных параметров в процессе бурения.
Объектом исследования является забойное гидромеханическое устройство телескопического типа (рис.1), устанавливаемое в КНБК над винтовым забойным двигателем (ВЗД) и обеспечивающее две функции в процессе бурения скважин:
1) функция нагружателя - cоздание расчетной нагрузки на долото независимо от веса и трения бурильной колонны;
2) функция амортизатора - устранение возникновения, развития и интенсификации продольных колебаний КНБК. Это достигается за счет того, что забойный двигатель и долото механически разъединены от бурильной колонны, а также вследствие гидроаккумулирования объемов жидкости, находящихся над и под поршнем, связанных гидравлическими каналами, соответственно, с внутренней полостью бурильной колонной и затрубным пространством.
Устройство представляет собой силовой гидроцилиндр одностороннего действия (рис. 1), состоящий из цилиндра 2 и полого поршня 3. Цилиндр связан с бурильной колонной 1, а поршень через полый шток 4 соединен с корпусом забойного двигателя 6. Для восприятия реактивного момента двигателя предусмотрен механизм 5, выполненный в виде шлицевого соединения (сечение А-А), обеспечивающий жесткую связь между корпусом ВЗД и бурильной колонной (через корпус цилиндра) и поступательное перемещение штока.
Для увеличения осевой нагрузки на долото 7 в полости поршня 3 может быть размещена насадка. Для обеспечения рабочего хода поршня и его перезарядки на внутренней поверхности цилиндра выполнены верхний и нижний упоры, а также предусмотрены отверстия для сообщения с затрубным пространством скважины.
При работе амортизатора-нагружателя буровой раствор поступает через поршень и полый шток в рабочие органы ВЗД и далее в промывочные отверстия долота, обеспечивая процесс бурения. При этом на поршне возникает перепад давления, который создает гидравлическое усилие, передающееся через шток и корпус двигателя на долото. По мере разбуривания забоя происходит перемещение поршня вниз и по достижении им нижнего крайнего положения (нижнего упора) в цилиндре необходимо произвести перезарядку системы (спустить бурильную колонну на длину хода поршня). Этот момент будет зафиксирован по снижению давления на стоке. Таким образом, рабочий цикл нагружателя состоит из двух интервалов: рабочий ход поршня и перезарядка (возвращение поршня в крайнее верхнее положение).
Теория рабочего процесса гидравлического нагружателя
При бурении скважин с использованием забойного телескопического ГН осевая нагрузка на долото G определяется сложной функциональной зависимостью девяти параметров самонастраивающейся гидромеханической системы - диаметра поршня Dп, диаметра насадок долота и поршня, гидромеханической характеристики , силы тяжести забойного агрегата, удельного нагрузочного момента при разрушении горных пород, Муд плотности p и расхода Q жидкости:
Cреди вышеуказанной номенклатуры пять параметров являются константами системы, один (удельный момент на долоте) может изменяться в процессе выбуривания забоя и являться возмущающим фактором, а три представляют собой регулируемые параметры, изменением которых может осуществляться настройка нагружателя в неоперативном или оперативном режиме.
При расчете гидромеханической системы «бурильная колонна - цилиндропоршневая пара - забойный двигатель - долото» требуется определить осевые усилия в подсистемах, связанных с долотом (группа поршня) и бурильными трубами (группа цилиндра).
Для забойного ГН (рис. 2) принимаем следующие допущения: режим движения поршня - стационарный (инерционные усилия отсутствуют); давление жидкости в затрубном пространстве не изменяется по длине забойного агрегата; изменение давления в проточной части устройства происходит ступенчато с образованием трех перепадов давления (в насадке поршня, рабочих органах гидродвигателя и насадках долота ).
Осевая нагрузка на долото при использовании КНБК с гидравлическим нагружателем и забойным двигателем определяется из равенства продольных усилий в сечении штока (рис. 2), соединяющего поршень и корпус ВЗД, подсчитанных сверху и снизу [2]:
где -- полный перепад давления на поршне; -- давление на входе в устройство (перед насадкой в поршне); - давление на забое (в затрубном пространстве);
- продольная составляющая силы тяжести всех подвижных частей забойного агрегата, связанных с поршнем; - сила тяжести поршня со штоком; - сила тяжести забойного двигателя;
- площадь поршня; - площадь отверстия насадки в поршне; - суммарная площадь промывочных отверстий насадок долота (горизонтальная проекция); - сила трения поршня в цилиндре.
Отметим, что диаметр отверстия штока не влияет на расчетное осевое усилие на долоте.
Если пренебречь перепадами давлений в промывочных насадках поршня и долота, принимая, что перепад давления в ВЗД составляет основную долю в общем балансе распределения давления в забойном агрегате, а также силой трения, получаем приближенную формулу:
Методика расчета режимных параметров при бурении с использованием ГН
В отличие от традиционного способа бурения скважин гидравлическим двигателем в случае использования в забойной компоновке ГН режим работы ВЗД не может быть изменен с поверхности путем регулирования осевой нагрузки на долото за счет соответствующего распределения продольных усилий в бурильных трубах, и таким образом, рассматриваемая гидромеханическая система является самонастраивающейся в заданных забойных условиях.
Другими словами, в процессе бурения рабочая точка ВЗД имеет единственное автоматически устанавливаемое значение в зависимости от сочетания геометрических, гидравлических и энергетических характеристик элементов системы.
Другой особенностью системы, которую необходимо учитывать при моделировании режима работы ГН, является наклон линии давления ВЗД, т.е. зависимость перепада давления от крутящего момента долота, что не позволяет заранее определить перепад давления на поршне.
Расчет режима работы ВЗД при бурении скважины с использованием ГН (перепад давления и крутящий момент ВЗД, осевая нагрузка на долото) производится с учетом следующих исходных данных:
- стендовые характеристики ВЗД (зависимости частоты вращения n, перепада давления P, мощности N и КПД от крутящего момента M при заданном диапазоне изменения расхода жидкости Q);
- удельный момент сопротивления вращению долота со стороны забоя Mуд = M/G, зависящий от свойств горных пород, типа и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента, частоты вращения [9];
- плотность бурового раствора;
- геометрические и гидравлические характеристики промывочных насадок поршня и долота;
- сила тяжести основных элементов забойной компоновки GЗА (долото, двигатель, поршень со штоком).
При математическом описании характеристики ВЗД будем считать, что кривая перепада давления Р-М является линейной (рис. 3), причем коэффициент наклона линии давления kP (постоянная данного типоразмера ВЗД, не зависящая от расхода жидкости [2]) определяется как отношение дифференциального перепада давления (Рдиф = Р - Рх) в режиме максимальной мощности к соответствующему крутящему моменту:
Данное допущение, как показывает многолетний анализ стендовых характеристик отечественных и зарубежных ВЗД, с достаточной степенью точности выражает изменение перепада давления в гидродвигателе при изменении его нагрузки.
Удельный нагрузочный момент при разрушении горных пород будем считать постоянной лианезированной величиной для определенного типоразмера долота, не зависящей от частоты вращения.
Гидравлические характеристики элементов системы принимаются: линейными - для перепада давления в холостом режиме ВЗД и квадратичными - для насадок поршня и долота. Коэффициент сопротивления в холостом режиме ВЗД ох определяется из анализа стендовых характеристик двигателя.
Силой трения поршня о стенки цилиндра и гидравлическими потерями в отверстии полого штока пренебрегаем.