Экспресс-способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно- штанговых буровых машин в промысловых условиях

Патент 901459

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Союз Советскнк

Социалистических

Республик

О П И С А Н И Е ц901459

ИЗОБРЕТИ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву(22)Заявлено 1 1.0230 (21) 2886562/22-03 с присоединением заявим М

{23) Приоритет

Опубликовано 3001.82 . Бюллетень № 4

Дата опубликования емнсання 3601.82 (53)М. Кл.

Е 21 В 17/00

6 01 М 3/12

1веударааеай каивтет

CCCP ае двлаи изобретений н открыт@ (53) УД 620.173 (088. 8) (72) Авторы изобретения

А.A. Алейников и И.И. Сторчак (71) заявители (54) ЭКСПРЕСС-СПОСОБ ЭКСПЕРИИЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРЯМОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ УПРУГОГО

РАВНОВЕСИЯ СТАВОВ ВРАЦАТЕЛЬНО-ШТАНГОВЫХ

БУРОВЫХ ИАШИН В ПРОМЫСЛОВЫХ УСЛОВИЯХ

Изобретение относится к области механики упруго-деформированного твердого тела, а именно, к способам экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия стержневых систем при продольно- крутильном их "следящем" нагружении, в частности, ставов вращательно-штанговых буровых машин при бурении скважин в анизотропной породной толще. о

В практике оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых как упругих стержневых систем известны три широко распространенных

35 расчетных метода: статистическийметод Л. Эйлера, энергетическнйметод И.Г. Бубнова и динамическийметод А.И. Ляпунова - В.В. Болотина С11.

2о

Указанные статистические методы, оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин имеют низкую точность из-за черезмер-. ной идеализации расчетных моделей става в скважине как упругих стержней в цилиндрической оболочке.

Кроме того, рассматриваемые статистические методы Л. Эйлера и И.Г. Бубнова неприменимы при оценке неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин при перебуривании анизотропной породной толщи из-за продольно-крутильного "следящего" их нагружения, т.е. нагрузками, направление действия которых зависит от величины деформации упругой системы, например, при бурении скважины по угольным пластам с помощью буровых статов, оснащенных самоотклоняющимися от боковых пород породоразрушающими органами, а также при бурении горизонтально -наклонных сква жин по угольным пластам и по перемежающейся анизотропной породной толще снизу вверх, при котором

3 901 направление усилия подачи совпадает с направлением искривленной оси бурового става (эффект боуденовского каната), а направление действия крутящего момента зависит от взаимного расположения перемежающихся твердых и мягких слоев породного (угольного) массива.

Оценка неустойчивости прямолинейной толщины упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин в случае их нагружения "следящими нагрузками производится только динамическими методами.

Сущность динамического расчетного метода ценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин заключается в том, что составляются дифференциальные уравнения движения системы ставы-скважины, по которым определяется период собственных колебаний системы около положения ее упругого равновесия и тенденция роста амплитуды колебаний. При этом при стремлении периода колебаний к оесконечности устанавливаются критические параметры системы (нагрузка и длина), т.е. имеет место "безразличное" равновесие системы согласно классической теории упругой у1стойчивости Л. Эйлера, а по неограниченному возрастанию амплитуды колебаний (апериодический уход от состояния равновесия)судят о неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия бурового става 1 2 J.

Однако указанный способ также имеет весьма низкую точность.

Укаэанные недостатки расчетных методов оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия бурового става частично устраняются в продольно-крутильном силовом нагружении става путем перебуривания скважиной аниэотропной породной толщи и непрерывного измерения суммарной дисперсии продольного нагружения (усилия подачи), по неограниченному нарастанию которой судят о неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия става (3J.

459

Анализируемый способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия буровых ставов более точен по сравнению с вышерассмотренными расчетными способами, однако же последний, 5

Зо

55 как и его аналоги, неоперативен в промысловых условиях из-за получения величин суммарных дисперсий силового нагружения става путем обработки его реализаций (записей измерений) на ЭВИ, а также имеет низкую точность, поскольку не позволяет опре" делять безразличное равновесие и бифуркацию форм упругого равновесия става в скважине (переход его в смежную форму, например, спиральный изгиб).

Цель изобретения вЂ” повышение точности и оперативности способа экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин путем определения безразличного равновесия и бифуркации форм упругого равновесия става в скважине по реализациям измеренного . нагружения в промысловых условиях.

Поставленная цель достигается тем, что трассу скважины закладывают по контакту мягкого и твердого породных слоев, а бурение скважины производят с постоянным по величине продольным нагружением и осуществляют непрерывное измерение крутильного нагружения става, из которого выделяют переходный процесс превращения квазигармонических автоколебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей с частотой 0,01-1 Гц в релаксационные " с частотой на порядок выше, по первым из которых судят о "безразличном" равновесии прямолинейной формы упругого равновесия става, а по вторым о бифуркации его форм упругого равновесия. г

На фиг. 1 и 2 представлена возможная реализация переходного процесса превращения квазигармонических автоколебаний дисперсии инфраниэкочастотной составляющей крутильного нагружения става в релаксационные - с частотой на порядок выше, полученная в промысловых условиях серийными низкочастотными измерителями крутящего момента (мощности вращателя), выпускаемыми промышленностью. Для этих целей могут применяться также серийно выпускаемые промышленностью специальные устройства - автоматические анализаторы спектра рецирку" ляционного типа.

Экспресс-способ оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого

5 $014 равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин осуществляется следующим образом.

При определенных соотношениях площадей угля и присекаемой более 5 крепкой боковой породы в пределах забоя скважины и постоянстве усилия подачи породоразрушающего органа на последний действует поперечная отклоняющая сила, а следовательно, 1Р и на буровой став. Т.е. указанное явление имеет место при соблюдении вышеуказанных условий разбуривания скважиной контактирующих между собой мягкого и твердого породных слоев и следования последней вдоль их контакта. Наличие же поперечной отклоняющей силы способствует потере устойчивости прямолинейной формы упругого равновесия бурового става (колонны). При потере устойчивости. прямолинейной формой упругого равновесия бурового става (колонны) связанный с ними породоразрушающий орган вместо вращения вокруг оси става (колонны) совершает обкатывание по периметру забоя скважины (нутационное движение относительно ее оси), проявляющееся в виде периодически повторяющихся полных остановок породоразрушающего органа, из-за образования отличного от круглой формы многоугольного забоя скважины, сопровождающегося разрушением породы на забое и раскручиванием бурового става (колон- 55 ны), т.е. в бурильной колонне (ставе) возбуждаются .крутильные фрикционные автоколебания. Рассмотренный механизм формирования крутильных автоколебаний в системе станок-буровой став- 4Р скважина легко объясним с позиций упругой динамической устойчивости стержневых систем, в частном случае, бурового става (колонны). скважине, то последние являются малыми свободными колебаниями нелинейной неконсервативной системы станок-буровой став-скважина относительно нового положения упругого равновесия бурового става (колонны) в указанной системе. Нетрудно обнаружить, что превращение квазигармонических автоколебаний в релаксационные при переходе бурового става (колонны) в смежную устойчивую форму упругого равновесия (спиральный изгиб) обусловлено изменением упругоинерционных характеристик крутильно-колеблющейся системы станок-буровой став-скважина.

Таким образом, возмущения крутильного нагружения бурового става (колонны) в системе станок-буровой став-скважина порождают его предельные возмущения. Кроме того, выбор возмущения крутильного нагружения бурового става при оценке устойчивости его прямолинейной формы упругого равновесия в качестве информационного нагружения обусловлен также тем, что низкочастотные крутильные автоколебания с .частотами 0,01-10 Гц передают

Достижение прямолинейной формой упругого равновесия става критических геометрических и силовых параметров (безразличного" равновесия) проявляется s весьма малых свободных колебаниях последнего вокруг устойчивого положения равновесия с накоплением энергии. Такими малыми свободными колебаниями рассматриваемой системы являются автоколебания вЂ” один

55 из самых распространенных видов свободных нелинейных колебаний неконсервативных систем, т,е. квазигармонические автоколебания дисперсии инфранизкочастотной составляющей крутильного нагружения бурового става (колонны) в системе станок-буровой инструмент скважина с частотой 0,01-1 Гц, частотой собственных малых колебаний указанной нелинейной неконсервативной системы.

Вторая стадия потери устойчивости прямолинейной формы упругого равновесия бурового става (колонны) вы« ражается в сравнительно резком "прощелкивании" конструкции к новому устойчивому равновесному состоянию, т.е. в переходном процессе превращения квазигармонических автоколебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей с частотой 0,01-1 Гц в релаксационные - с частотой на порядок выше, устойчивое проявление которых имеет место на третьей стадии - спиральном изгибе бурового става (колонны) при новой устойчивой форме упругого равновесия последнего в скважине. Таким образом, указанный переходный процесс является как бифуркацией форм равновесия бурового става (колонны) в системе станокбуровой став (колонна)-скважина.

Что же касается релаксационных автоколебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей крутильного нагружения бурового става (колонны) в

01459

1О

15 ао

7 9 ся на поверхность даже с очень больших глубин с незначитепьным затуханием, для регистрации которых в промысловых условиях широко используются низкочастотные измерители крутящего нагружения бурильной колонны (става).

Осуществление способа в промысловых условиях сведется к выполнению следующей последовательности операций.

Любым известным способом определяют соседство расположения мягкого и твердого породных слоев. Закладывают трассу скважины по контакту указанных породных слоев, бурением которой посредством испытуемого бурового става (колонны), оснащенного породоразрушающим органом (долотом, коронкой), с присечкой мягкого и твердого породных слоев, воспроизводят продольно-крутильное нагружение последнего при постоянном усилии .подачи (продольном нагружении), Одновременно с бурением скважины производят измерение крутильного нагружения бурового става посредством реализации прямого метода (с помощью серийных роторных моментомеров) или косвенного.зИз получаемых в процессе бурения реализаций крутящего нагружения става, зная временную тарировку унифицированной регистрирующей ленты (одно деление 6,67 с, см, фиг. 1),, нетрудно обнаружить квазигармонические автоколебания дисперсии инфранизкочастотной составляющей крутильного нагружения с частотой 0,01-1 Гц (временной интервал (период), например, 60 с или

0,017 Гц см. фиг.1), по которому определяют "безразличное" равновесие прямолинейной формы бурового става, т.е. согласно классическому положению Л. Эйлера - ее критические геометрические и силовые параметры нагружения (1,.р„ и И„,), В процессе дальнейшего бурейия (нагружения) будет происходить накопление энергии в срединном слое бурового става, предельное состояние которое выразится в условиях ограничения деформаций става стенками скважины контактом послеДнего с ними,и произойдет "про щелкивание" става к смежной форме упругого равновесия (спиральному изгибу става), проявляющееся в переходном процессе (фиг. 2) превращения квазигармонических втоколебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей крутильного нагружения в релаксационные - с частотой на порядок выше (0,1-10 Гц), по которому судят о бифуркации форм упругого равновесия става в скважине.

Рассмотренный технологический процесс может быть автоматизированным благодаря применению автоматических анализаторов спектра рециркуляционного типа.

Применение способа позволит повысить точность и оперативность оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия става.

Формула изобретения

Экспресс-способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ста» вов вращательно-штанговых буровых машин 8 промысловых условиях, включающий продольно-крутильное силовое нагружение става путем перебуривания скважиной анизотропной породной толщи и непрерывное измерение суммарной дисперсии продольного нагружения, по неограниченному нарастанию которой судят о неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия става, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и оперативности путем определения безразличного равновесия .и бифуркации форм упругого равновесия става в скважине по реализациям измеренного нагружения в промысловых условиях, трассу скважины закладывают

4о по контакту мягкого и твердого породных слоев, а,бурение скважины производят с постоянным по величине про дальным нагружением и осуществляют непрерывное измерение крутильного . нагружения става, из которого выделяют переходный процесс превращения квазигармонических автокопебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей с частотой 0,01-1 Гц, в

5D релаксационные - с частотой на порядок выше, по первым из которых судят. о "безразличном" равновесии прямолинейной формы упругого равновесия става в скважине, а по вторым и бифуркации . его форм упругого равновесия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. саркисов Г.и. Расчеты бурильных и обсадных колонн. И., "Недра", 1971.

9 9О1М9 10

2. Болотин В.В. Динамическая ус- для определения критических параметтойчивость упругих систем. И., Гос- ров бурового станка по результатам гортехиздат, 1956. эксперимента.-"Известия вузов" сер.1

3, Кантович Л.И, Дмитриев В.Н. "Горный журнал", 1978, Ф 5, с. 84Применение дисперсного анализа . s 88 (прототип).

РИт

1,м

ВНИИПИ Заказ 12322/32 Тираж 623 Подписное

Филиал ППП "Патент", г ° Ужгород, ул.Проектная,4