компоновка низа бурильной колонны

Формула изобретения

Компоновка низа бурильной колонны, включающая утяжеленные бурильные трубы, расположенный под утяжеленными бурильными трубами элемент с повышенным гидравлическим сопротивлением и демпфер продольных колебаний, установленный между утяжеленными бурильными трубами и элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением, отличающаяся тем, что демпфер продольных колебаний выполнен в виде упругой цилиндрической оболочки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению скважин, точнее к виброгасящим компоновкам низа бурильной колонны (КНБК).

Известна КНБК, включающая волновой отражатель, представляющий акустическую неоднородность, выше и ниже которой акустическая жесткость колонны неодинакова вследствие разности в плотностях материала соединенных труб (стальные и легкосплавные трубы), либо за счет разности в площадях сечения труб, изготовленных из одного и того же металла (Н.А.Мельницук и др. Результаты испытаний волнового отражателя. РНТС "Бурение", 1973, N1, с. 7 - 11).

Недостатками известной конструкции являются: низкая эффективность виброзащиты, случайный характер получения положительного эффекта, слабая прогнозируемость выбора технологических параметров. Низкая эффективность виброзащиты бурильной колонны связана с тем, что акустическая неоднородность отражает лишь небольшую часть энергии возбуждаемых долотом продольных колебаний и только в узком интервале частот, а большая часть энергии колебаний воспринимается бурильной колонной ввиду ее большой продольной жесткости независимо от металла или площади сечения труб. Случайность воспроизведения положительного эффекта объясняется невозможностью выбора параметров акустической неоднородности перед спуском бурильной колонны в скважину, так как до начала работы бурильной колонны практически невозможно предсказать параметры колебаний, от которых и зависят параметры волнового отражателя и место его размещения по длине компоновки низа бурильной колонны.

Известна КНБК, включающая долото, утяжеленные бурильные трубы и демпфер продольных колебаний, размещенный над утяжеленными бурильными трубами. Демпфер состоит из корпуса и концентрично расположенного в нем полого штока с кольцевым поршнем. Корпус и кольцевой поршень образуют внутреннюю камеру устройства, изолированную от промывочной жидкости манжетными уплотнениями. Крутящий момент передается со штока на корпус через шпонки или через сопряженные элементы корпуса и штока, имеющие в поперечном сечении форму многогранника. Внутренняя камера устройства заполняется маслом или пружиной (Кайданов Э. В. О волновом разделении бурильной колонны. В сб. "Динамика в бурение", тр. ВНИИБТ, вып. 52, М. 1981, с. 36 43).

Недостатком конструкции является низкая надежность демпфирования, связанная с наличием подвижных частей в демпфере, а также возможность потери работоспособности при искривлении ствола скважины, где сопряженные элементы корпуса и штока могут заклиниться. Кроме того, демпфер создает дополнительное гидравлическое сопротивление в бурильной колонне.

Известна также компоновка низа бурильной колонны, включающая демпфер продольных колебаний, утяжеленные бурильные трубы, расположенный под утяжеленными бурильными трубами элемент низа бурильной колонны, имеющий повышенное гидравлическое сопротивление, например гидравлический забойный двигатель или гидромониторное долото (при этом демпфер продольных колебаний установлен между УБТ и элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением).

Недостатком известной конструкции является низкая эффективность демпфирования возбуждаемых долотом продольных колебаний.

Демпфирование колебаний осуществляется лишь в узкой части частотного спектра, для которой предварительно задается усилие на подвижных элементах демпфера, что понижает эффективность демпфирования. Однако и эта узкая часть спектра задается с низкой вероятностью, так как реально наблюдаемый спектр колебаний может отличаться от ожидаемого, что делает ненадежной виброзащиту бурильной колонны. Надежность работы демпфера уменьшается также при искривлении ствола скважины.

Целью изобретения является повышение эффективности демпфирования, технологичности и надежности виброзащиты бурильной колонны.

Указанная цель достигается тем, что в известной компоновке низа бурильной колонны, содержащей демпфер продольных колебаний, утяжеленные бурильные трубы и расположенный под утяжеленными бурильными трубами элемент с повышенным гидравлическим сопротивлением, демпфер выполнен в виде упругой цилиндрической оболочки, размещенной между утяжеленными бурильными трубами и элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением.

В основе изобретения лежат следующие физические принципы.

Упругая цилиндрическая оболочка, размещенная между утяжеленными бурильными трубами и элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением, подвергается снизу знакопеременному воздействию продольных напряжений, возбуждаемых работой на забое шарошечного долота. Так как долото совершает продольные колебания, то при резком ходе долота вверх цилиндрическая оболочка, находящаяся под утяжеленными бурильными трубами, воспринимает вес этих труб и остальной части бурильной колонны. Известно, что при продольном нагружении упругой цилиндрической оболочки происходит сокращение ее длины за счет того, что стенка оболочки образует продольную волну типа синусоиды вдоль образующей цилиндрической оболочки, одновременно несколько увеличивается диаметр оболочки (см. напр. кн. 1) Алфутов Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем, М. Машиностроение, 1991, с. 246 248, 2) Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Под ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. М. Машиностроение, 1968, т. 3, с. 136, 151 152, т.1, с. 692).

Такая деформация оболочки обеспечивает возможность нейтрализации вертикальных колебаний долота. Реализация этой возможности обеспечивает наличие внутреннего избыточного давления в оболочке, существование которого связано с тем, что ниже оболочки в компоновке низа бурильной колонны расположен элемент с повышенным гидравлическим сопротивлением, например забойный гидравлический двигатель или гидромониторное долото, или их сочетание. Избыточное давление распирает упругую цилиндрическую оболочку изнутри, а поскольку концы цилиндрической оболочки жестко скреплены резьбовыми соединениями, то упругая оболочка принимает слегка выпуклую форму. Это обстоятельство, с одной стороны, уменьшает продольную жесткость цилиндрической оболочки, увеличивая ее демпфирующую способность, а с другой стороны - обеспечивает продольную устойчивость оболочки во время работы в качестве демпфера. Таким образом демпфирование упругой цилиндрической оболочкой знакопеременных продольных колебаний долота происходит за счет волнообразования при сжатии по образующей оболочки, принявшей слегка выпуклую к середине форму в результате предварительного распирания внутренним давлением.

Демпфирующую способность оболочки усиливают также периодические повышение давления в полости оболочки, возникающие синхронно с ходом долота вверх. Возникновение этих импульсов давления связано с тем, что при резком смещении вверх долота навстречу потоку промывочной жидкости в бурильной колонне происходит частичный гидравлический удар, интенсивность которого тем выше, чем выше скорость вертикальных колебаний долота. Повышающееся при этом давление вызывает дополнительное расширение и укорочение упругой цилиндрической оболочки, также вносящее вклад в компенсацию вертикального смещения долота вверх. При ходе долота вниз происходит обратная деформация оболочки, идущая в счет компенсации смещения долота вниз. Описанные импульсы давления, возникающие в полости оболочки при вертикальном колебании долота, охватывают небольшую часть бурильной колонны по высоте, начиная от упругой цилиндрической оболочки, так как не успевают далеко распространяться за время действия импульса, знак которого меняется с положительного на отрицательный с большой скоростью.

Упругая цилиндрическая оболочка допускает возможность изменения деформации в широком диапазоне за счет изменения длины оболочки, ее диаметра, толщины стенки, упругости материала, из которого изготовлена оболочка. Это свойство упругой цилиндрической оболочки позволяет охватить демпфированием большой интервал продольных упругих колебаний (по частотному спектру и амплитуде), которые могут возникнуть в процессе работы долота на забое при бурении скважины. Упругая цилиндрическая оболочка не уменьшает проходного сечения бурильной колонны, не содержит подвижных частей, не требует существенных затрат для изготовления и эксплуатации.

Улучшается также гидравлический КПД промывки скважины, так как известно, что при снятии вибраций гидравлические сопротивления понижаются на 20% (см. например, Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Энергоатомиздат. М. 1984, с. 179).

Кроме того, в случае, когда упругая цилиндрическая оболочка расположена над гидромониторным долотом, на струи промывочной жидкости, бьющие из гидромониторных насадок долота, накладываются колебания давления, возбуждаемые в результате колебаний стенок оболочки, а это способствует усталостному разрушению породы на забое, что увеличивает скорость бурения и улучшает вымыв продуктов разрушения из-за долота.

Следовательно, выполнение демпфера в виде упругой цилиндрической оболочки, размещенной между утяжеленными бурильными трубами и нижерасположенным элементом бурильной колонны с повышенным гидравлическим сопротивлением, позволяет эффективно демпфировать возбуждаемые долотом упругие колебания, обеспечивает технологическую и надежную защиту от вибраций бурильной колонны, что в конечном итоге увеличивает прочность и долговечность бурового инструмента, повышает производительность бурения скважин.

Компоновка низа бурильной колонны схематически показана на фиг. 1 и 2, схема работы упругой цилиндрической оболочки показана на фиг. 3, 4, 5.

В случае, когда элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением является гидравлический забойный двигатель (фиг.1), компоновка низа бурильной колонны включает шарошечное долото 1, гидравлический забойный двигатель 2, упруго цилиндрическую оболочку 3, утяжеленные бурильные трубы 4, присоединенные верхним концом к колонне бурильных труб 5. Шарошечное долото 1 может быть с гидромониторными насадками.

В случае роторного бурения (фиг.2) элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением является гидромониторное шарошечное долото 6.

На фиг. 3, 4, 5 обозначено: L_o исходная длина (высота) упругой цилиндрической оболочки; R исходный радиус цилиндрической оболочки по срединной поверхности; толщина стенки цилиндрической оболочки; DP избыточное давление в полости оболочки, ₁ и L₁ - сокращение высоты оболочки и ее новая высота после возникновения избыточного давления в полости оболочки; ₂ и L сокращение высоты оболочки и ее новая высота в результате продольного сжатия оболочки и возникновения дополнительного гидродинамического давления гидроудара, G сила веса утяжеленных бурильных труб и вышерасположенной части бурильной колонны, F - сила продольного сжатия оболочки, циклически действующая со стороны работающего шарошечного долота.

Компоновка низа бурильной колонны работает следующим образом.

Перед нагнетанием в бурильную колонну промывочной жидкости и началом бурения упругая цилиндрическая оболочка 3, размещенная между утяжеленными бурильными трубами 4 и элементом с повышенным гидравлическим сопротивлением 2 или 6, находится в статическом равновесии и имеет форму цилиндра высотой L_o и радиусом R. Высота цилиндрической оболочки в исходном состоянии совпадает с ее длиной по образующей цилиндра.

С началом закачки промывочной жидкости в колонну бурильных труб в полости упругой цилиндрической оболочки над входом в гидравлический забойный двигатель 2 или гидромониторное долото 6 (или их сочетание) создается значительное избыточное давление P, затрачиваемое на работу гидравлического забойного двигателя 2 и гидромониторных насадок долота 6. Под действием внутреннего избыточного давления упругая цилиндрическая оболочка распирается и несколько укорачивается по высоте на величину ₁, а поскольку концы оболочки скреплены резьбовыми соединениями и имеют значительно более высокую жесткость, чем остальная часть оболочки, то оболочка приобретает слегка выпуклую форму от концов к середине. При этом упругая цилиндрическая оболочка становится более устойчивой к продольному сжатию и увеличивается ее демпфирующая способность за счет уменьшения продольной жесткости оболочки в результате выгибания ее стенки наружу.

Последующее бурение сопровождается динамическим взаимодействием шарошечного долота с забоем скважины, генерирующим процесс колебательного воздействия на цилиндрическую оболочку продольной сжимающей силой от вертикальных смещений шарошечного долота.

Так как упругая цилиндрическая оболочка находится под действием силы G от массы вышерасположенной части бурильной колонны, то продольное сжатие оболочки в периоде перемещения долота вверх сопровождается продольной деформацией стенки оболочки с образованием по ее длине волн типа синусоиды. За счет волнообразования высота оболочки сокращается на величину ₂ (при неизменной длине стенки оболочки), компенсирующую резкое смещение долота вверх. Аналогично действует гидравлический удар с сопутствующим повышением давления в полости оболочки, возникающий синхронно с ходом долота вверх. Ход долота вниз в последующем полупериоде колебания сопровождается исчезновением волн и увеличением высоты оболочки на величину ₂..

Таким образом совершается демпфирование колебаний бурильной колонны, возбуждаемых вертикальными биениями долота, а колебания давления, вызываемые колебаниями стенок упругой оболочки, накладываются на гидромониторные струи промывочной жидкости, способствуя увеличению скорости бурения.

Параметры оболочки (длину, толщину стенки, диаметр, упругие показатели) подбирают по заданной степени демпфирования опытным или расчетным путем. Такими же способами выбирают нагрузку на оболочку от веса утяжеленных бурильных труб и величину избыточного давления в полости оболочки (в пределах приемлемого уровня давления, обеспечивающего работоспособность гидравлического забойного двигателя и (или) гидромониторного долота).

Оболочку с выбранными параметрами, удовлетворяющими условию эффективного демпфирования колебаний, испытывают или рассчитывают на устойчивость. Если окажется, что при выбранной длине оболочка неустойчива, по ее длине устанавливают элементы жесткости, например кольцевые утолщения, или оболочку расчленяют по длине, нарезают на концах отдельных частей резьбу и соединяют их между собой толстостенными муфтами.

Пример 1. В компоновку низа бурильной колонны входит гидромониторное долото диаметром 295,3 мм, турбобур типа ЭТСШ-240, утяжеленные бурильные трубы диаметром 203,2 мм, упругая цилиндрическая оболочка. Бурильные трубы диаметром 139,7 мм стальные, длина колонны бурильных труб 1500 м. Рабочий перепад давления на турбобуре 5 МПа при расходе жидкости 32 л/с, а в кольцевом пространстве скважины от забоя до упругой оболочки 0,1 МПа. Вес одного погонного метра утяжеленных бурильных труб 204 кг, а бурильных труб 35,6 кг. Перепад давления на гидромониторном долоте 5 МПа. Наиболее энергоемкий интервал частот колебаний 60 80 см^-1 (в среднем 70 с^-1, амплитуда колебаний не превышает 5 мм. Требуется определить демпфирующую компоновку низа бурильной колонны в части параметров упругой цилиндрической оболочки (геометрических размеров, упругих свойств) и уровня ее нагружения весом утяжеленных бурильных труб (или длину утяжеленных бурильных труб).

Компоновка низа бурильной колонны с демпфером представляет собой механическую колебательную систему, в которой колебания груза, лежащего на верхнем конце пружины, возбуждаются воздействием возмущающей силы на нижний конец пружины (см. например, П.В.Балицкий. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. М. Недра, 1975, с. 191).

Условием эффективности демпфирования в подобных колебательных системах является следующее соотношение (см. например, Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М. Наука, 1971, с. 118 119).

где частота возбуждающих колебаний, М демпфируемая масса, С - жесткость демпфера.

Учитывая, что величина С определяется отношением



где G Mg сила нагрузки на демпфере, l деформация демпфера, условие (1) принимает вид:



где g ускорение силы тяжести.

В рассматриваемом случае демпфирующей является продольная деформация (сокращение длины) упругой цилиндрической оболочки от совокупности действия продольного нагружения и внутреннего давления, величину которой можно определить по формуле (см. например, Прочность, устойчивость, колебания. Справочник, том. 1. Под ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко, с. 602).

где L_o начальная высота (длины) упругой цилиндрической оболочки, толщина стенки оболочки, Е модуль упругости материала оболочки, R радиус оболочки (по срединной поверхности толщины стенки), n - коэффициент Пуассона материала оболочки, DP избыточное давление в полости оболочки, которое в данном случае складывается из рабочих перепадов давления на турбобуре и долота, перепада давления от забоя до оболочки в кольцевом пространстве скважины и импульсного повышения давления в полости упругой цилиндрической оболочки от гидравлического удара при резком смещении долота вверх в процессе его вертикальных колебаний.

Далее для выбора приемлемых параметров с точки зрения эффективного демпфирования подставляем выражение (4) в неравенство (3):



Соотношение (5) является условием эффективного демпфирования возбуждаемых долотом продольных колебаний, связывая параметры возбуждающих колебаний с параметрами упругой цилиндрической оболочки (длиной, радиусом, толщиной стенки, упругостью материала), величиной нагружения оболочки вышерасположенной массой и внутренним избыточным давлением в полости оболочки.

Как видно из соотношения (5), регулировать процесс демпфирования можно в широких пределах частотного возбуждения за счет длины, радиуса, толщины стенки, упругих свойств цилиндрической оболочки, а также путем изменения нагрузки на оболочку от веса бурильной колонны и избыточного давления в полости оболочки.

Демпфируемая нагрузка G складывается из веса утяжеленных бурильных труб G₁ и веса вышерасположенной части бурильной колонны G₂:

G G₁ + G₂ (6)

Избыточное давление в полости упругой цилиндрической оболочки в момент резкого смещения долота вверх складывается из суммы давлений:

DP=P₁+P₂+P₃+P₄ (7)

В величину избыточного давления в полости оболочки входят: перепад давления на турбобуре (P₁), гидромониторном долоте (P₂), гидродинамические потери в кольцевом пространстве (P₃), импульс давления от гидравлического удара при резком смещении долота вверх в процессе его вертикальных колебаний (P₄). Первые три составляющие известны и определяются рабочим расходом промывочной жидкости. Определим четвертую составляющую. Известно, что при увеличении скорости потока возникает частичный гидравлический удар, сопровождающийся повышением давления (см. например, Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Энергоатомиздат. М. 1984, с. 93 97). Величина повышения давления, возникающая при этом, определяется формулой

P₄=av (8)

где плотность промывочной жидкости, а 1300 1350 м/с - скорость распространения возмущения в стальном трубопроводе (промывочная жидкость, вода или глинистый раствор), Dv увеличение скорости потока.

Изменение скорости потока относительно бурильной колонны происходит вследствие ее вертикальных колебаний. Скорость колебательного движения описывается формулой

v=2A (9)

где A амплитуда колебаний, частота колебаний.

Подставляя (9) и (8), определяем окончательно:

DP₄=2aA (10)

Сжатая в осевом направлении упругая цилиндрическая оболочка может терять устойчивость при глубоком волнообразовании вдоль образующей стенки, а при большой длине оболочка может потерять устойчивость как стержень (см. например, Алфутов Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем. М. Машиностроение, 1991, с. 51 52). В первом случае расчет на устойчивость проводят по формулам:

G_кр=0,62E², _кр=0,6E/R (11)

где _кр критическое напряжение сжатия.

Во втором случае устойчивость проверяют по формулам:



Формулы (15) и (16) дают проверку на устойчивость с запасом, так как они не учитывают наличия внутреннего избыточного давления в полости оболочки, существующего в рассматриваемом устройстве, а наличие внутреннего избыточного давления повышает устойчивость упругой цилиндрической оболочки к продольному сжатию (см. например, Прочность, устойчивость, колебания. Справочник, том 3. Под ред. И.А.Биргера, Я.Г.Пановко. М. Машиностроение, 1963, с. 151 152).

Вначале определяют параметры упругой цилиндрической оболочки по соотношению (5), а затем проверяют на устойчивость по формулам (11) и (12).

Выпишем исходные данные примера в принятых обозначениях: G₂ 35,6х1500 53400 кг 534000 Н 5,3410⁵Н, P₁ 5 МПа, P₂ 5 МПа, P₃ 0,01 МПа, 1100 кг/м³, a 1350 м/с, A 5 мм, w 70 с^-1, q 9,3 м/с².

Подставляя исходные данные в формулы (10) и (7), определяем DP₄ 0,67 МПа, P 5+5+0,1+0,67 10,77 МПа.

С использованием соотношения (6) находим, что условию эффективного демпфирования в данном примере удовлетворяет стальная упругая цилиндрическая оболочка со следующими параметрами: L_o 8 м, 12 м, В 210¹¹ н/м², R 0,114 м.

При этом вес утяжеленных бурильных труб должен быть не менее G₁ 10200 кг 102000 Н 1,0210⁵ Н.

Теперь проверяем выбранную упругую цилиндрическую оболочку на устойчивость по формулам (11) и (12).

Действующая на оболочку нагрузка G G₁ + G₂ 5,3410⁵ + 1,0210⁵ H 6,3610⁵ Н.

Критическая нагрузка по формуле (11) G_кр 9,810⁹ Н, что что намного больше действующей, т.е. оболочка устойчива на деформацию волнообразования.

Критическая нагрузка по формуле (12) G_кр 6,4110⁶ Н, что больше действующей нагрузки, т.е. оболочка устойчива на продольный изгиб.

Пример 2. При тех же исходных данных и использовании в качестве демпфера той же стальной цилиндрической оболочки наружным диаметром 240 мм и толщиной стенки 11 мм при той же нагрузке на оболочку G 6,3610⁶ Н, что и в примере 1, выбрать длину оболочки, если средняя частота биения долота составляет не 70 с^-1, a 45 c^-1.

Используя изложенную методику, определяем, что в этом случае длина цилиндрической оболочки должна быть не менее 18 м. Эта длина удовлетворяет критерию устойчивости по формуле (11), но не удовлетворяет критерию устойчивости по формуле (12). Для удовлетворения условию (12) оболочку расчленяют по длине на части, каждая из которых должна быть не больше 8 м. Отдельные части соединяют жесткими муфтами или патрубками.

Пример 3. В компоновку низа бурильной колонны (роторное бурение) входят: гидромониторное долото диаметром 215,9 мм, стальная упругая цилиндрическая оболочка демпфер, утяжеленные бурильные трубы диаметром 203 мм, длиной 150 м (вес 1 п.м. 204 кг). Бурильные трубы диаметром 139,7 мм длиной 1500 м (вес 1 п. м. 35,6 кГ). Рабочий перепад давления в гидромониторном долоте 5 МПа, перепад давления в кольцевом пространстве 0,1 МПа при расходе промывочной жидкости 16 л/с. Плотность промывочной жидкости 1100 кг/м³. Средняя частота биений долота 45 с^-1, амплитуда колебаний в пределах 5 мм. Определить необходимую длину стальной цилиндрической оболочки-демпфера.

Используя методику, изложенную в примере 1, находим, что для рассматриваемого примера длина оболочки-демпфера должна быть не менее 16,9 м. Из условия устойчивости (12) определяем, что оболочка должна быть расчленена по длине, длина каждой части не более 12 м.

Таким образом, предлагаемая компоновка низа бурильной колонны обеспечивает виброзащиту бурильной колонны в широком диапазоне частот и амплитуд колебаний при высокой надежности и технологичности виброзащиты, что, в конечном итоге, позволяет повысить технико-экономические показатели бурения скважин.