Устройство для исследования процесса трения между горной породой и бурильными трубами Советский патент 1988 года по МПК E21C39/00 

3 { Ь

.1 Обца ец -г бурильной трубы

4

00 Is:)

N)

со

ч J

Фиг.1

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для определения коэффициентов трения и характера сил сопротивления между горной породой и бурильными трубами в лабораторных условиях.

Цель изобретения - определение коэффициентов трения и характера сил сопротивления для условий проводки наклонно .направленных скважин.

На фиг. 1 показана схема устройства для исследования процесса трения между горной породой и бурильными трубами; ria фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 3 - характер колебаний маятника при отсутствии вращения имитатора бурильной трубы; на фиг. 4 - то же, При вращении имитатора бурильной трубы.

Устройство содержит основание 1, установленный на нем с возможностью вращения имитатор 2 бурильной трубы, привод 3 вращения имитатора 2, держатель (не показан)

образца 4 горной породы, имеющий контактную поверхность, предназначенную для взаимодействия с имитатором 2 бурильной трубы, нагружающий механизм 5, установленный на держателе, привод возвратно-посту- пательного движения держателя, выполненный в виде несимметричного маятника, ось 6 которого закреплена на платформе 7, на больщом плече 8 закреплен груз 9, а малое плечо 10 посредством тяги 11 связано с

0 держателем образца 4 горной породы, заполненный буровой промывочной жидкостью поддон 12, прикрепленный к основанию 1 и охватывающий имитатор 2 бурильной трубы, и датчики 13 для измерения ампли туды и скорости колебаний маятника, установленные на его оси 6.

Платформа 7 установлена на основании 1 бурильной трубы и соединена с приводом 14 поступательного движения.

Длина I малого плеча 10 маятника опре0 деляется соотнощением

Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения - определение коэффициентов трения и характера сил сопро.тивления для условий проводки наклонно направленных скважин. Для этого имитатор /И/ 2 бурильной трубы имеет привод 3 вращения, а платформа установлена на основании 1 и перемещается вдоль оси И 2 бурильной трубы. На основании закреплен поддон 12, охватывающий И 2. На И 2 размещен держатель с образцом 4, выполненный в фор- .ме желоба, диаметр которого определяют по математической формуле. Привод держателя выполнен в виде маятника, длину малого плеча которого определяют по математическому отношению. Регистрируя изменения амплитуды и скорости колебаний .маятника, вычисляют коэффициенты трения и силу сопротивления движению образца 4 горной породы со стороны И 2 бурильной трубы и про- .мывочной жидкости, в зависимости от условий проведения эксперимента затухающие колебания маятника носят различный характер. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. € (Л

К-п-Ас 5V

/(14

3Q«

N- число продольных колебаний образца 4 породы за один оборот имитатора 2 бурильной трубы, равное числу продольных колебаний за один оборот долота;

п - частота вращения имитатора 2,

равная частоте вращения долота

при бурении скважины, об/мин;

АО - амплитуда забойного возмущения,

м; h - длина большого плеча 8 маятника,

м;

g -ускорение свободного падения, Qi- -вес плеча 8 маятника, кг; QM -вес груза 9, кг; QO -суммарный вес держателя образца 4 породы и элементов нагружающего механизма 5, кг; Qr - вес тяги 11, кг.

тактная поверхность образца 4 породы олнена в форме желоба, диаметр О2м коого определяется соотношением

PJ qosina-D|-D2 D|M

qo-sina-Di-D2--qm Dim(D2-D|)

погонный вес труб, применяемых для бурения скважины, кг/м;

угол наклона скважины, рад;

диаметр трубы, применяемых для бурения скважины м;

диаметр скважины, равный диаметру применяемого для бурения долота, м;

I

Г т -9 . 2 -I

1 2Q«+Q J

(i;

D|M - диаметр имитатора 2 бурильной

трубы, м; qiH - погонный вес образца 4 породы,

кг/м. Для данного случая

qM .-

f

Qo + Q e,4ii.

где fi, 2 - расстояния от центра тяжести

тяги 11 до ее концов, м; ho - длина образца 4 горной породы,

м.

При этом на величину q« накладываются ограничения, определяемые следующим неравенством

qw qw qo- sin а

Di Da

D,H (D2-Di

,-(

где ф - минимальное значение погонного веса образца 4 породы, определяемое 50только весом собственно образца 4

породы, держателя и частью веса тяги 11;

Р - максимально возможное значение

диаметра Dy желоба, определяемое

конструктивными соображениями, м

55 Определение длины 1 короткого плеча 10

несимметричного маятника согласно соотнощению (1) обеспечивает соответствие между

проводимыми экспериментами и реальными

условиями бурения наклонно направленных скважин.

Процессу- бурения на нефть и газ сопутствуют интенсивные низкочастотные продольные колебания бурильного инструмента. Возникновение этого явления обусловлено определенными сочетаниями компоновок бурильных колонн и частотами вращения долота. В результате развития ко.тебаний этого вида трехшарошечные долота образуют на поверхности забоя ухабы, являющиеся источниками циклических перемещений нижнего торца колонны бурильных труб. При этом наблюдаются отскоки долота от забоя, которые приводят к резкому падению механической скорости бурения и проходки на долото. В колонне бурильных труб развиваются также избыточные циклические напряжения, которые часто приводят к ее слому. При бурении наклонно направленных скважин на характер протекания волновых процессов существенное влияние оказывают силы сопротивления движению колонны бурильных труб. В результате взаимодействия долота с забоем на поверхности забоя возникают ухабы, являющиеся источником возникновения забойного возмущения (при бурении трех- щарощечными долотами число ухабов N всегда кратно 3 и может принимать значения N 1, 3, 6, 9, определяющие число продольных колебаний за один оборот долота). Ухабообразность забоя является причиной развития низкочастотных продольных колебаний, которые, распространяясь по колонне бурильных труб, сообщают ее элементам дополнительно к продольному перемещению по скорости бурения возвратно-поступательное движение.

Соотнощение (1) позволяет добиться равенства максимальных значений скорости продольных перемещений долота на забое и скорости возвратно-поступательного движения образца 4 горной породы, сообщаемого последнему маятниковым приводом.

Определение диаметра Оам желоба согласно отношению (2) обеспечивает совпадение площади контакта экспериментальных образцов (образца 4 горной породы и имитатора 2 бурильной трубы) и площади контакта, возникающей при взаимодействии элемента бурильной трубы со стенкой скважины.

Привод 14 перемещения платформы 7 обеспечивает движение маятника и соответственно держателя с образцом 4 породы относительно имитатора 2 бурильной трубы со скоростью, равной реальным механическим скоростям бурения.

Устройство работает следующим образом.

На основании знания типа пород, слагающих стенки бурящейся скважины, выби-. рается образец 4 горной породы, например, гранит, мрамор или известняк. На по

10

15

2219

4

верхности одной из его граней выполняется желоб, диаметр Dw которого определяется из соотношения (2). В герметизированный поддон 12 заливается промывочная жидкость, используемая для бурения данной скважины. Из соотношения (1) определяется длина 1 малого плеча 10 маятника при максимальных значениях параметров N и п, где N - число колебаний долота за один оборот; п - скорость вращения долота. Исходя из информации о величине механической скорости -бурения, выбирается скорость продольного перемещения платформы 7, сообщаемая ей приводом 14. Диапазон изменения скоростей Си вращения имитатора 2 бурильной трубы (0( об/мин) разбивается на ряд значений, соответствующих реальным скоростям вращения колонны бурильных труб, об/мин, например со| 9; С02 45; (03 90; ш., 140; шь 180; (Об 220. Требуемое значение угловой скорости вращения имитатора 2 бурильной трубы устанавливается посредством привода 3. Маятник, являющийся приводом возвратно-поступательного движения, отклоняется на начальный угол . После включения привода вращения 3 (с некоторой аданной скоростью вращения w) и привода 14, сообщающего платформе 7, на которой закреплен маятник, поступательное с постояннЪй скоростью движение вдоль имитатора 2 бурильной трубы, маятник освобождается и начинает движение к положению равновесия и т.д. При этом малое плечо 10 маятника сообщает посредством кинематической связи через тягу 11 образцу 4 горной породы одновременно затухающие колебания и поступательное с постоянной скоростью движение вдоль имитатора 2 бурильной трубы. Изменение амплитуды и скорости колебаний маятника регистрируется датчиками 13, установленными на его оси 6. Получаемые данные об изменении амплитуды и скорости колебаний маятника позволяют вычислить коэффициенты трения и силу сопротивления движению образца 4 горной породы со стороны имитатора 2 бурильной трубы и промывочной жидкости.

20

25

30

35

40

В зависимости от условий проведения эксперимента затухающие колебания маятника вносят различный характер. Если имитатор 2 бурильной трубы не вращается (случай, имитирующий бурение скважин забойными двигателями), то характер изменения угла отклонения ф(1) маятника во времени соответствует графику (фиг. 3), который получен с помощью шлейфового осциллографа (не по.казан), связанного с датчиками 13. Амплитудные значения ф лежат на прямых. Сила трения FTP в данном случае под чиняется закону Амонтона-К лона:

.

N.

sign (а)где К - коэффициент трения;

N - сила прижатия образца 4 породы к имитатору 2 бурильной трубы,

+ Qr

l,+ t

dU

-тгскорость продольного перемещения

образца 4 породы.

Из приведенного соотношения видно, что сила сопротивления существенно зависит от силы прижатия образцов N и коэффициента трения k, в то же время сила сопротивления не зависит от абсолютных значений скорости продольных перемещений. Коэффициент трения k определяется из соотношения

г-де во

во

фо - начальный угол отклонения, рад;

Т - период колебаний маятника, с;

т - время полного затухания колебаний маятника, с.

На величину коэффициента трения существенное влияние сказывает химический состав промывочных жидкостей. Таким образом, устройство позволяет моделировать процесс развития низкочастотных продольных колебаний колонны бурильных труб в случае бурения наклонно направленных скважин забойными двигателями. При этом кривизна реальной скважины учитывается за счет изменения диаметра желоба Dy, а влияние промывки и породы, слагающей стенки скважины, учитывается в коэффициенте трения k.

Если образец бурильной трубы вращается (роторный способ бурения), то характер изменения угла (f(i) во времени t меняется и амплитудные значения ф уже не лежат на прямых линиях, как в случае закона Амон- тона-Кулона, а находятся на кривых ajj и Ьц, вогнутых по направлению к оси времени t. Подобный характер затухания описывается экспоненциальным законом (фиг. 4). В этом случае сила сопротивления

FTp 2( К- N. sign (-|),

где 2|j, - коэффициент, аналогичный коэффициенту вязкого трения. Коэффициенты k и ц определяются из системы

В Р JЧо т о-U3--

К

К

Фо-е - -фс

0

0

5

0

5

0

5

0

5

где t, - время, соответствующее максимальным значениям угла отклонения маятника за период колебания, с; фс - максимальнде значение углов отклонения маятника при , рад; т - время затухания колебаний маятника, с.

Таким образом, сила сопротивления в этом случае пропорциональна первой степени скорости продольного пере.мещения и определяется суперпозицией двух составляющих: составляющей «сухого трения (закон Амон- тона-Кулона) и составляющей, пропорциональной первой степени скорости движения. При вращении образца 4 моделируется процесс распространения низкочастотных продольных колебаний в случае роторного способа бурения, учитывая при этом кривизну реальной скважины, число оборотов колонны бурильных труб, свойства промывочных жидкостей и горных пород, слагающих стенки скважины, существенно влияющих на значения коэффициентов k и jj,.

Указанные различия в характере сил сопротивления играют принципиальную роль при изучении процесса низкочастотных продольных колебаний в колонне бурильных труб.

По данным о коэффициентах трения между бурильными трубами и горной породой, полученным с помощью устройства в лабораторных условиях, построены зоны возможного возникновения резонанса и номограмма по выбору диапазонов частот вращения ротора для соответствующих изменяемых компоновок бурильной колонны, при которых устраняются интенсивные низкочастотные колебания бурильной колонны. Исключение колебаний этого вида позволяет значительно повысить механическую скорость бурения и стойкость долота и бурильного инструмента в целом.

Формула изобретения

скважин, оно снабжено приводом вращения имитатора бурильной трубы, а платформа установлена на основании с возможностью

1

N-n-Ao 5yf

де N - число продольных колебаний образца породы за один оборот имитатора бурильной трубы, равное числу продольных колебаний за один оборот долота;

п - частота вращения имитатора бурильной трубы, равная частоте вращения долота при бурении скважины, об/мин;

АО - амплитуда забойного возмущения, м;

L - длина больщого плеча маятника, м; g - ускорение свободного падения,

QL -вес больщого плеча маятника, кг; QM - вес груза, закрепленного на больщом плече, кг;

QO суммарный вес держателя, образца породы и элементов нагружающего механизма, кг;

Qr -вес тяги, кг.

7азец . 1ильнои ороды

перемещения вдоль оси имитатора бурильной трубы, при этом длина малого плеча маятника 1 определяется соотношением

0

5

выполнена в форме желоба, диаметр кото- рого определяется соотнощением

П Jlo silL° JPi:

qosmoc- DiD2-qMDiH{D2-D,)

j где DE -диаметр желоба, м;

qo - погонный вес труб , применяемых для бурения скважины, кг/м:. а - угол наклона скважины, рад; DI - диаметр труб, применяемых для

бурения скважины, м; D2 - диаметр скважины, равный диаметру применяемого для бурения долота, м; DIM - диаметр имитатора бурильной

трубы, м;

qw - погонный вес испытуемого образца горной породы, кг/м. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено заполненным буровой промывочной жидкостью поддоном, закрепленным на основании и охватывающим имитатор бурильной трубы.

/

Фиг.г

а