При вышеуказанных допущениях рабочая точка гидромеханической системы «нагружатель - ВЗД - долото - забой скважины» определяется из системы уравнений:
Решение данной системы уравнений можно привести к виду относительно осевой нагрузки на долото:
где РУ - суммарный перепад давления в системе, относящийся к режиму холостого хода ВЗД при данном расходе жидкости и не зависящий от нагрузки на долото,
Комплекс, составленный из размерных параметров горных пород, поршня и характеристики забойного двигателя, является критерием подобия гидромеханической системы, выражающим ее нагрузочные характеристики в случае использования гидродвигателя с переменным перепадом давления.
Знаменатель формулы (5) является безразмерной величиной, где комплекс е = МудSпkp, составленный из размерных параметров горных пород, поршня и характеристики забойного двигателя, является критерием подобия гидромеханической системы, выражающим ее нагрузочные характеристики в случае использования гидродвигателя с переменным перепадом давления.
Чем больше величина критерия е, тем больше изменяется осевая нагрузка по сравнению с режимом холостого хода.
В частном случае гидродвигателя с постоянным перепадом давления (турбобур с нормальными турбинами) е = 0 и осевая нагрузка не зависит от режима работы гидродвигателя, практически не изменяясь от холостого режима до тормозного.
Физический смысл критерия подобия (е < 1) - отношение приращения осевой нагрузки по сравнению с режимом холостого хода к осевой нагрузке в процессе бурения данных пород:
С учетом этого наглядной формой записи осевого усилия на долоте является следующее выражение
где Gх - осевое усилие в холостом режиме ВЗД с упором поршня на нижний торец цилиндра,
Для удобства практических расчетов в числителе формулы (5) размерности величин перепадов давления и площадей можно, соответственно, принимать в МПа/10 и см2. В этом случае размерность осевой нагрузки - кН.
Точка рабочего режима системы, в том числе осевая нагрузка на долото при прочих равных условиях, зависит от группы твердости разбуриваемых горных пород. Зависимость G = f(Mуд) относится к виду обратно пропорциональной функции. Общее выражение осевой нагрузки (5) позволяет после дифференцирования определить отклонение G при изменении удельного момента горных пород в данной рабочей точке:
где С - постоянная гидромеханической системы, зависящая от диаметра поршня, расхода жидкости и характеристики ВЗД, С = GхSпkp.
Следовательно, при работе ГН между отклонениями осевой нагрузки и удельного момента имеет место линейная зависимость, что дает возможность по расчетному коэффициенту передачи Kуд = dG/dMуд = f(Q;е) прогнозировать режим работы ГН в заданных горно-геологических условиях проходимого интервала.
Общий алгоритм расчета режимных параметров при бурении ВЗД с использованием поршневого ГН представлен на блок-схеме (рис. 4).
Пример расчета режимных параметро в при бурении ВЗД с использованием ГН
Исходные данные: тип двигателя - Д-178.6/7.62; расход жидкости Q = 30л/с; плотность жидкости с = 1100кг/м3; тип долота - шарошечное; группа твердости горных пород - средняя; удельный момент Муд = 10 Н*м/кН; диаметр насадок долота dо.д = 15мм; число насадок z = 3; диаметр поршня Dп = 148мм (Sп = 171,9 см2); продольная составляющая силы тяжести забойного агрегата GЗА = 10 кН; коэффициент расхода в насадках долота и поршня м = 0,92.
Параметры, независимые от нагрузки
Коэффициенты характеристики ВЗД (по линии Р-М на рис. 3):
Перепад давления ВЗД в холостом режиме
Перепад давления в насадках долота Pд=2.10МПа.
Безразмерный критерий подобия cистемы е=0,146.
1. Компоновка без насадки в поршне (индекс 0)
Осевая нагрузка на долото: G0=113,9kH.
Крутящий момент и перепад давления ВЗД:
Представленные численные расчеты показывают, что забойная компоновка системы «ГН -- ВЗД -- долото» при бурении скважины шарошечным долотом в породах средней твердости с расходом бурового раствора 30 л/c при оснащении поршня насадкой диаметром 20 мм обеспечивает создание осевой нагрузки на забое порядка 20 тонн, при этом перепад давления и крутящий момент выбранного двигателя Д-178.6/7.62 (кинематическое отношение 6:7; число шагов рабочих органов 6,2) составляют, соответственно, 5,0 МПа и 2,3 кН*м. Данные режимные параметры значительно отличаются от параметров ВЗД в режиме максимальной мощности и КПД (рис. 3).
Полный перепад давления в забойной компоновке в процессе бурения с учетом потерь в насадках поршня и долота равен 13,0 МПа, что накладывает определенные требования к давлению нагнетания и выбору бурового насоса.
Реакция системы на изменение твердости горных пород составляет около 1,5 - 2 тонн, что может идентифицироваться по изменению давления на стояке (порядка 1 МПа) и тем самым придает рассматриваемой системе некоторые свойства диагностики забойных условий бурения.
Окончательный выбор режимных параметров, которые можно регулировать путем оптимизации диаметра насадки в поршне, должен быть осуществлен после комплексного анализа промысловых данных отработки долот и двигателей, гидравлических характеристик насадок долота, требуемой механической скорости бурения и возможности насосного комплекса буровой установки.
Для наглядности результаты расчета режимов работы ГН при разбуривании различных пород с использованием насадок в поршне и без них представлены на рис.5, а общий баланс распределения перепадов давления в забойном устройстве показан в форме круговой диаграммы на рис. 6.
При использовании долот типа PDC, моментоемкость которых при прочих равных условиях примерно в 4 раза превышает аналогичный показатель для шарошечных долот, в рассматриваемых условиях бурения из-за высокого значения удельного момента (Муд = 40Н*м/кН) и как следствие критерия подобия системы (е = 0,584) создается чрезмерное осевое усилие и крутящий момент на долоте (более 20 тонн и 9кН*м) в компоновках без насадки в поршне диаметром 148мм. Поэтому использовать дополнительный перепад давления здесь представляется нецелесообразным. Теоретически это позволит поддержать на высоком уровне общий КПД гидравлического комплекса буровой установки и не форсировать режим работы бурового насоса. При этом рабочая точка используемого ВЗД близка по его характеристике (рис.3) к режиму максимального КПД (М ? 8 кН*м; Р ? 9МПа на расходе 34 л/c), что обеспечивает эксплуатацию ВЗД в рекомендуемом техническими требованиями диапазоне крутящих моментов (8 - 10 кН*м).
Необходимое снижение осевой нагрузки в соответствии с номинальными режимными параметрами используемого долота PDC может быть реализовано за счет конструктивных (путем уменьшения диаметра поршня или перепада давления в долоте) или технологических (снижение расхода жидкости) решений.
Влияние диаметра поршня
Для ВЗД с переменным перепадом давления при изменении диаметра поршня осевая нагрузка на долото будет изменяться в степенной зависимости. При этом показатель степени будет не менее 2 в зависимости от сочетания характеристик двигателя, долота и горных пород в соответствии с выражением (5).
Для создания оптимальной осевой нагрузки для определенного типоразмера породоразрушающего инструмента конструкция ГН должна предусматривать возможность использования сменных цилиндропоршневых пар с различными диаметральными размерами.Тогда в рассматриваемом примере при переходе на поршни диаметром 120 и 100 мм генерируемая осевая нагрузка для долот типа PDC при разрушении пород средней твердости (Муд = 40Н*м/кН) составит, соответственно, 110 и 70 кН.
Способы регулирования осевой нагрузки на долото
В процессе бурения скважины с использованием ГН, оснащенного поршнем определенного диаметра, регулирование осевой нагрузки на долото может осуществляться двумя способами:
1) изменением расхода бурового раствора (оперативный способ, не требующий внесения конструктивных модификаций);
2) изменением диаметра насадки в поршне (неоперативный способ, требующий замены насадки и частичной разборки конструкции).
Регулировочные характеристики ГН в случае изменения расхода жидкости выражаются зависимостями осевой нагрузки от расхода при данном диаметре насадки в поршне.
Учитывая баланс распределения давления в ГН (рис. 6) и принимая, что перепады давления в насадках поршня и долота подчиняются квадратичной зависимости от Q, а перепад давления ВЗД в холостом режиме пропорционален первой степени расхода, можно при расчетах в первом приближении принять зависимость общего перепада давления на поршне и осевой нагрузки на долоте в виде степенной функции
где А - постоянная устройства, a - показатель степени, который может быть принят в интервале 1,5 - 1,75.
На основе предложенной зависимости пересчет осевых нагрузок в допускаемом диапазоне расходов от Qmin до Qmax может проводиться с помощью графика, представленного на рис. 7.
Диапазон изменения осевой нагрузки на долото ДG зависит от возможного диапазона изменения расхода и показателя нелинейности гидравлической характеристики. Имея реперную расчетную точку рабочего режима при определенном расходе Q (рис. 7), пересчет осевой нагрузки на измененный расход Q* производится следующим образом:
Изменение диаметра насадки с целью регулирования перепада давления на поршне производится на основе классических гидравлических характеристик насадок определенной формы.
Требуемый диаметр насадки, соответствующий необходимому перепаду давления Рнас при данном расходе, Q, находится из выражения:
В качестве примера в табл. представлены расчетные значения диаметров насадки, обеспечивающие перепад давления 5 МПа для различных расходов жидкости в рабочем диапазоне расходов для двигателей в габарите 172 -- 178 мм.
Результаты расчета показывают, что чувствительность системы на изменение диаметра насадки весьма значительна. Так, если в вышеприведенной методике расчета нагружателя для насадки 20 мм и расходе жидкости 30 л/с перепад давления составляет 5,9 МПа, то для принятого в табл. перепада давления 5 МПа требуемый диаметр насадки увеличивается всего до 20,9мм (в данном случае 0,1 мм соответствует 0,1 МПа). Таким образом, возможный размыв внутренней поверхности насадки в процессе эксплуатации будет существенно влиять на характеристики ГН.
Для эффективного практического применения гидравлического амортизатора-нагружателя представляется необходимым:
- создать базы данных по моментоемкости и гидравлическим характеристикам долот в заданных горно-геологических условиях;
- выработать научно обоснованные требования к выбору параметров режима бурения для данного способа создания осевой нагрузки на долото;
- разработать компьютерные программы расчета режимных параметров нагружателя и выбора насадок поршня;
- при эксплуатации устройства использовать технически реализуемые и надежные в промысловых условиях системы регулирования частоты ходов бурового насоса (в том числе автоматизированные и согласованные со штатной системой управления основными агрегатами буровой установки), обеспечивающие возможность оперативного регулирования расхода бурового раствора при изменении забойных условий и, как следствие, давления на стояке в процессе бурения скважины.
Литература
1. Минин А.А. Забойные автоматы подачи долота. Гостоптехиздат. М.: 1960.
2. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины: в 2 т. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2005--2007.
3. Патент 2164582 РФ. Компоновка низа бурильной колонны для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин / Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Власов А.В., МессерА.Г., Потапов Ю.Ф; опубл. 27.03.01, Бюл. № 21. 8 с.
4. Патент на полезную модель 113298 РФ. Забойный гидравлический нагружатель / Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Балетинских Д.И., Селиванов С.М. опубл. 10.02.12, Бюл. № 4. 5 с.
5. Заявка на полезную модель 2016137862 РФ. Забойное гидромеханическое устройство / Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Попко В.В., Сергеев И.С., заявл. 22.09.16.
6. Попко В.В., Чайковский Г.П., Ширин-Заде С.С. Буровые амортизаторы ОАО НПО «Буровая техника», Труды ВНИИБТ, 1(69), 2005.
7. Чайковский Г.П., Попко В.В., Балденко Д.Ф. и др. Новые конструкции забойных гидравлических двигателей и импортозамещающих гидромеханических устройств КНБК // НТЖ Проектирование и разработка нефтегазовых месторождений. 2017. № 1.
8. Corles A.G. and other. Hydraulic Thrusting Devices Improve Drilling Efficiencies. World Oil, September 2001.
9. Повалихин А.С., Калинин А.Г. и др. Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин. М.: Центрлитнефтегаз, 2011.
10. Электронные ресурсы фирм: Буринтех, Буровая техника, ВНИИБТ-Буровой инструмент, Пермнефтемашремонт, Baker Hughes, Dezhou Shelf Oil Tools, Halliburton, National Oilwell-Varco, Schlumberger, Weatherford, YJ и др.