Экспресс-способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин в промысловых условиях Советский патент 1982 года по МПК E21B17/00 G01N3/12

Описание патента на изобретение SU901459A1

. 39 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 прямоли нейной формы упругого равновесия ста вов воащательно-штанговых буровых машин заключается в том, что составляются дифференциальные уравнения движения системы ставы-скважины, по которым определяется период собствен ных колебаний системы около положени ее упругого равновесия и тенденция роста амплитуды колебаний. При этом при стремлении периода колебаний к бесконечности устанавливаются критические параметры системы (нагрузка и длина), т.е. имеет место безразличное равновесие системы согласно классической теории упругой у(стойчивости Л. Зйлера, а по неограниченном возрастанию амплитуды колебаний (апе риодический уход от состояния равновесия) судят о неустойчивости прямоли нейной формы упругого равновесия бурового става 2. Однако указанный способ также имеет весьма низкую точность. Указанные недостатки расчетных методов оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия бурового става частично устраняются в продольно-крутильном силовом иагружении става путем перебуривания скважиной анизотропной породной толщи и непрерывного измерения суммарной дисперсии продольного нагружения (усилия подачи), по неограниченному нарастанию которой судят о неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия става зЗАнализируемый способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия буровых ставов более точен по сравнению с вышерассмотренными расчетными способами, однако же последний. как и его аналоги, неоперативен в промысловых условиях получения величин суммарных дисперсий силового нагружения става путем обработки его реализаций: (записей измерений) на ЭВМ, а также имеет низкую точность, поскольку не позволяет определять безразличное равновесие и бифуркацию форм упругого равновесия става в скважине (переход его в смежную форму, например, спиральный изгиб). Цель изобретения - 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. На фиг. 1 и 2 предстаёлена возможная реализация переходного процесса превращения квазигармонических автоколебаний дисперсии инфранизкочастотной 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 рециркуляционного типа. Экспресс-способ оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ставов вращательно-штанговых буровых машин осуществляется следующим образом. При- определенных соотношениях площадей угля и присекаемой более крепкой боковой породы в пределах забоя скважины и постоянстве усилия подачи породоразрушающего органа на последний действует поперечная отклоняющая сила, а следовательно, и на буровой став. Т.е. указанное явление имеет место при-соблюдении вышеуказанных условий разбуривания скважиной контактирующих между собо 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 п риметру забоя скважины (нутационное движение относительно ее оси), прояв ляющееся в виде периодически повторя ющихся полных остановок породоразрушающего органа, из-за образования отличного от круглой формы многоугол ного забоя скважины, сопровождающегося разрушением породы на забое и раскручиванием бурового става (колон ны), т.е. в бурильной колонне (ставе возбуждаются .крутильные фрикционные автоколебания. Рассмотренный механиз формирования крутильных автоколебаний в системе станок-буровой ставскважина легко объясним с позиций упругой динамической устойчивости стержневых систем, в частном случае бурового става (колонны). Достижение прямолинейной формой упругого равновесия става критических геометрических и силовых парамет ров (безразличного равновесия) проявляется в весьма малых свободных колебаниях последнего вокруг устойчи вого положения равновесия с накоплением энергии. Такими малыми свобод ными колебаниями рассматриваемой системы являются автоколебания - оди из самых распространенных видов свободных нелинейных колебаний неконсер вативных систем, т.е. квазигармониче кие 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 рав- , новесия бурового става (колонны) выражается в сравнительно резком прощелкивании конструкции к новому устойчивому равновесному состоянию, т.е. в переходном процессе превращения квазигармонических автоколебаний дисперсии инфранизкочастотной составляющей с частотой О,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 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 ся на поверхность даже с очень боль ших глубин с незначительным затуханием, для регистрации которых в про мысловых условиях широко используют ся 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 подами (продольном нагру жении), Одновременно с бурением скважины производят измерение крутильного нагружения бурового става посредством реализации прямого метода (с помощью серийных роторных моментомеров) или косвенного.Из получаемых в процессе бурения реализаций крутящего нагружения става, зная временную тарировку унифицированной регистрирующей ленты (одно деление 6,67 с, см. фиг. О нетрудно обнаружить квазигармонические автоколебания дисперсии инфраиизкочастотной 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 (IKPJPJCP процессе дальнейшего бурения (нагружения) будет происходить накопление энергии в срединном слое бурового става, предельное состояние которое выразится в условиях ограничения деформа ций става стенками скважины контакто последнего с ними,и произойдет про щелкивание става к смежной форме упругого равновесия (спиральному изгибу става), проявляющееся в пере ходном процессе (фиг. 2) превращения квазигармонических автоколебаний 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. Формулаизобретения Экспресс-способ экспериментальной оценки неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесия ста ВОВ вращательно-штанговых буровых машин в промысловых условиях, включающий продольно-крутильное силовое нагружение става путем перебуривания скважиной анизотропной породной толщи и непрерывное измерение суммарной дисперсии продольного на1;ружения, по неограниченному нарастанию которой судят о неустойчивости прямолинейной формы упругого равновесие 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 по контакту мягкого и твердого породных слоев, а .бурение скважины производят с постоянным п величине про дольным 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 в скважине, а по вторым и бифуркации , его форм упругого равновесия. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Саркисов Г.М. Расчеты бурильных и обсадных колонн. М., Недра, 1971.

990U5910

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

3.-Кантович Л.И, Дмитриев В.Н. Торный журнал, 1978, № 5 с б Применение дисперсного анализа s 88 (прототип).