Полный текст

Введение

Буровые работы являются важным процессом в геологической разведке, а также при добыче нефти и газа. В результате сложных взаимодействий между буровым долотом и горными породами, а также между буровым раствором и бурильной колонной динамическая система претерпевает изменения, которые могут оказывать негативное влияние на процесс бурения. Для исследования устойчивости динамических систем в процессе бурения необходимо построение эффективной динамической модели буровой системы [1].

В производственных условиях бурение неоднородных горных пород, состоящих из чередующихся мягких и твердых пластов, часто приводит к возникновению вредных вибраций и колебаний. Сильные вибрации бурового инструмента могут привести к выходу из строя бурового долота на забое скважины. Осевые и крутильные колебания бурового инструмента в определенной степени носят случайный характер. Основными причинами этого являются различия в литологии пластов и трение бурового долота о горную породу [2].

Во многих случаях в научных исследованиях неизвестные динамические системы приходится объяснять не путем построения математических моделей или разработки теорий, а посредством изучения реальных условий. Такие исследования часто проводятся при изучении явлений, возникающих в процессе глубокого бурения скважин, в частности при работе породоразрушающих буровых инструментов. Долгое время наблюдаемое в реальных условиях радиальное смещение (колебание) буровых долот на забое скважины, а также формирование многогранных поперечных сечений скважин невозможно было объяснить с точки зрения классического изопараметрического принципа.

Следует отметить, что данное явление отчетливо проявляется при сверлении металлов. Однако в этом случае оно объяснялось не окружностью поперечного сечения отверстия заданного диаметра, а малой площадью образующейся многогранности. Тем не менее впоследствии было установлено, что изопараметрические зависимости не играют никакой роли при исследовании явлений, происходящих в динамических системах.

Иными словами, статические показатели никогда не могут быть причиной динамических явлений.

Лишь разработанные методы исследования процессов, протекающих в динамических системах, принцип наименьшего действия и закономерности потерь энергии в динамических системах позволили дать научное объяснение указанным явлениям.

В настоящее время динамические системы не могут находиться в состоянии динамического равновесия ни в одном из трех режимов работы, если они не ограничены определенными ограничителями. В нашем случае в качестве ограничителей используются стабилизаторы. Известно, что потери энергии в динамических системах при прочих равных условиях ограничиваются снизу вращательной парой. В этом случае возникает необходимость ограничить потери энергии заданным уровнем эксцентриситета (0 < ε < ∞).

При отсутствии ограничителей принцип наименьшего действия заставляет любую динамическую систему искать режим работы с минимальными энергетическими потерями. Однако при функционировании динамических систем существование таких режимов невозможно. Лишь в окрестности точки (ε ≈ 0, i = −1) возможен режим вращательной пары с бесконечно малыми потерями энергии. Однако при (ε = 0, i = −1) потери энергии резко возрастают, поскольку динамическая система мгновенно переходит в первый режим работы.

Первый режим (вращение вокруг собственной оси) является общим для всех механических систем и полностью их характеризует. Иными словами, данный режим работы механизмов требует наибольших энергетических затрат. Эти потери энергии особенно наглядно проявляются в моделях быстро вращающихся валов, где имеет место дисковое трение в газовой или жидкой среде, а также в буровых долотах, где потери энергии возникают вследствие трения зубьев долота о горную породу.

Ограничители в виде валов или бурильных труб в определенных условиях не способны ограничивать процессы радиальных колебаний. В результате при стремлении системы к минимальным энергетическим потерям динамическая система может разрушиться. В таких случаях необходимо либо быстро перейти к предельным оборотам, либо установить стабилизаторы, что учитывается при формировании компоновки низа бурильной колонны.

---

Предлагаемое техническое решение

В процессе бурения глубоких скважин практически отсутствуют другие методы стабилизации породоразрушающих буровых инструментов, поскольку разрушение консолей с такими геометрическими размерами не требует значительных усилий. Таким образом, стабилизация буровых долот возможна только за счет использования наддолотных стабилизаторов.

Целью данного исследования является подтверждение или опровержение теоретических выводов о причинах радиальных колебаний в динамических системах с использованием устройства, основанного на идее наддолотного стабилизатора, а именно шарошечного расширителя-стабилизатора, выполненного в виде шарошек и защищенного патентом.

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к конструкции шарошечного расширителя-стабилизатора, и может применяться при бурении нефтяных, газовых и других скважин.

В технике известны расширители-стабилизаторы, рабочими органами которых являются лопасти, обычно размещаемые на периферии цилиндрического корпуса [3] (аналог).

Однако данная конструкция имеет существенные недостатки. В процессе эксплуатации наблюдается интенсивный абразивный износ лопастей. Кроме того, значительный и постоянный контакт лопастей со стенками скважины в процессе бурения приводит к динамической неустойчивости.

Наиболее близким техническим решением является шарошечный расширитель-стабилизатор, в котором шарошки расположены по высоте корпуса и в плане под углом 120° [4] (прототип).

Такая конструкция повышает износостойкость расширителя-стабилизатора, увеличивает универсальность и работоспособность конструкции долото-расширитель-стабилизатор. Однако недостатком данного технического решения является то, что длительная стабилизация бурового инструмента обеспечивается только при определенном соотношении и высоте шарошек [5].

Целью изобретения является создание шарошечного расширителя-стабилизатора, обеспечивающего гарантированную стабилизацию бурового инструмента на забое скважины за счет устойчивого положения относительно оси скважины при расположении шарошек по высоте корпуса и в плане под углом 120° [6].

Поставленная цель достигается за счет использования шарошечного расширителя-стабилизатора, состоящего из цилиндрического корпуса с тремя вертикально направленными шарошками, расположенными на краях под углом 120° относительно оси скважины (рисунок 1).

При этом образующие шарошек по высоте корпуса не пересекаются с высотой вершин зубьев при их минимальных значениях и удовлетворяют следующему условию:

$$b_{min} > (\sqrt{7} \cdot R_{PAC}) / 2$$

где
b_min — минимальное расстояние между шарошками по вершинам зубьев, мм;
R_PAC — номинальный радиус шарошечного расширителя-стабилизатора, мм.

Шарошечный расширитель-стабилизатор работает следующим образом. При вращении бурового инструмента вокруг оси скважины условие (1) обеспечивает устойчивое динамическое равновесие бурового долота относительно его оси. В результате разрушение горной породы на забое осуществляется посредством механизма, заранее закрепленного конструкцией. При уменьшении диаметра скважины шарошечный расширитель-стабилизатор может выполнять функцию расширителя.

Использование предложенного расширителя-стабилизатора обеспечивает динамически устойчивую работу бурового долота без уменьшения диаметра скважины, что повышает общую эффективность бурового инструмента.

---

Заключение

Проведенные испытания показали следующие результаты:

1. Подтверждена правильность теоретического положения о том, что динамически устойчивая работа бурового долота на забое скважины обеспечивается при использовании наддолотного стабилизатора, разработанного на основе нового технического решения. Это подтверждено патентом Республики Казахстан №22228 (E21B 10/30).

2. В ходе промышленных испытаний использование наддолотного стабилизатора обеспечило увеличение механической скорости бурения на 5%, а также увеличение проходки на долото на 7,3%.

3. Отмечено снижение случаев сальникообразования бурового долота, что свидетельствует о положительном влиянии вертикально расположенных лопастей стабилизатора на гидродинамику промывочной жидкости.

4. Буровая организация поддержала внедрение предложенной в статье научной разработки при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин.

Об авторах

Жомарт Кайржанович Жантурин

НАО "Атырауский университет нефти и газа имени Сафи Утебаева"

Автор, ответственный за переписку.
Email: aing-zhomart@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-4944-1850
Scopus Author ID: 59245544700

кандидат технических наук, ассоциированный профессор АУНГ имени С. Утебаева

Казахстан, 060005, г. Атырау, ул. М. Баймуханова, 45А

Мурат Николаевич Абишев

НАО "Атырауский университет нефти и газа имени С. Утебаева"

Email: m_abishev_nik@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-5793-3800
Scopus Author ID: 57216591815

кандидат технических наук, ассоциированный профессор АУНГ имени С. Утебаева

Казахстан, 060005 г. Атырау ул. Баймуханова 45А

Нуркен Махсутович Ахметов

НАО "Атырауский университет нефти и газа имени С. Утебаева"

Email: n.akhmetov@aogu.edu.kz
ORCID iD: 0009-0008-5892-2530
Scopus Author ID: 57219471805

д.т.н., профессор Атырауского университета нефти и газа имен С. Утебаева

Казахстан, 060005 г. Атырау ул. Баймуханова 45А

Список литературы

Дополнительные файлы