ТУРБОБУР С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ: БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА, КОРПУС ТУРБОБУРА-ВАЛ ТУРБОБУРА, ДОЛОТО

Предложение относится к нефтяной промышленности точнее к бурению скважин с помощью турбобуров.
В настоящее время при турбинном бурении существует проблема высоких колебаний бурильного инструмента, которые отрицательно сказываются на работу долота.
Уменьшение же уровня динамических нагрузок на долото позволяет увеличить статическую нагрузку на долото, т.к. возрастает приемистость у турбобура. Это приводит к росту механической скорости и проходки на долото. Кроме этого увеличивается срок работы опоры турбобура.
Одной из причин из-за чего возникают колебания в том, что при бурении возникают колебания осевой нагрузки на долото из-за относительного перемещения двух систем: долота с вращающимся валом турбобура и корпуса турбобура с бурильной колонной.
Для решения этой проблемы известно применение турбобура с торсионным шпинделем, включающим верхний и нижний упорно радиальные подшипники качения, валы этих подшипников жестко соединены между собой предварительно сжатой пружиной. Пружина помимо силы предварительного сжатия передает на долото крутящий момент и оказывается поэтому в чрезвычайно напряженном состоянии
Испытания турбобуров с торсионным шпинделем показывает, что уровень осевых вибраций снижается, однако работоспособность пружины очень низкая. В этой связи торсионные шпиндели прекратили применять [1].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство турбобура с гидродемпфером.
Турбобур с гидродемпфером типа турбобура А7ПД состоит из шпиндельной и турбинных секций. Они связываются через квадратные полумуфты, между торцами валов установлены гидравлические демпферы дроссельного типа, которые представляют собой поршень с небольшим отверстием в центре, помещенный в закрытом цилиндре.
При осевых перемещениях вала жидкость перемещается из полости под поршнем и обратно через дроссельное отверстие. В результате этого происходит демпфирования энергии продольных колебаний вала и корпуса турбобура Величина рассеянной энергии колебаний или эффективность демпферивания определяется величиной гидравлического сопротивления дроссельного отверстия.
Испытания турбобура показали снижения динамичности осевой нагрузки, но при увеличении осевого люфта в турбобуре динамичность существенно возрастает [2]
Турбобур с демпфером имеет недостатки, т.к. он изменяет избыточное давление колебаний с помощью штуцирования через одну, установленную в устройстве насадку.
Учитывая, что процесс бурения имеет волновой характер, выравнивания его через насадку не дает результатов, т.к. гидравлическая характеристика штуцирования зависит от диаметра насадки и остается неизменной. Установка в процессе бурения разных насадок не реально и неэффективно.
Задача изобретения - повышение эффективности выравнивания волновых колебаний бурильного инструмента, в компоновке которого установлен турбобур.
Поставленная задача решаются за счет того, что нижняя часть последней секции турбобура выполнена в измененном виде.
Ниже стандартного комплекса дисков турбины создана камера для наложения волновых колебаний жидкости, ниже которой размещен комплекс дисков статоров, установленных фиксировано соответственно относительно друг друга, и дисков роторов также установленных фиксировано относительно друг друга и вала турбобура, причем в статорах выполнены проточные, а в роторах непроточные окна ' кратные трем. В процессе работы турбобура промывочная жидкость поступает через все его секции в нижнюю, в которой создано устройство практически выполняющего роль дросселя.
Природа сил использования дросселирования заключается в том, что при движении жидкость передает часть своей энергии преграде, встречающейся на ее пути.
Колебательные перемещения вала турбобура в его корпусе и всей компоновки низа бурильного инструмента сопутствующие работе трехшарошечного долота на забой гидравлически представляют собой единую систему, причем периодически неустановившегося процесса потока жидкости, связанного чаще всего с характеристикой разбуриваемой породы.
Периодическое изменение неустановившегося процесса практически можно осуществить с помощью дросселирования, если оно изменяется по гармоничному закону, например, по синусу или косинусу, т.е. периодическим изменением формы волны и несимметричным распределением энергии во времени относительно нулевой амплитуды.
Для достижения этой цели в предлагаемом турбобуре выполнено в нижней секции устройство.
Устройство представляет собой дросселирующее устройство, ограничивающее распространение давления за счет изменения колебания режима течения жидкости в камере, в которую жидкость поступает при неустановившимися гармоничными колебаниями из турбинной секции с одной стороны и встречает волновое сопротивление также гармоничное с другой, которое возникает при контакте с гидравлическим сопротивлением, возникающим при прохождении дисков турбины с периодически перекрываемыми окнами для прохождения потока жидкости, причем в синусоидальном режиме..
Камера при этом служит гидравлическим «волновым» поршнем, в которой происходит наложение колебательных процессов, имеющих приближенную гаримо-, но разной частоты и разной амплитуды.
При выходе жидкости из дисков статор - ротор проявляются упругие и инерционные свойства жидкости - возникает возмущение начального состояния Давление сжатия жидкости будет снижено и пройдет волна расширения с потерей колебательной энергии, которая выражается в том числе в скорости движения жидкости. Кроме этого при входе промывочной жидкости в камеру происходит закручивание потока с одновременной потерей потенциальной энергии, как потока расширяющегося при переходе в канал большого размера, причем в неустановившемся автоколебательном режиме.
Последующее сжатие жидкости в комплекте дисков устройства (после камеры) происходит с другой частотой и амплитудой. Эти волновые изменения находят отражение в потоке жидкости, проходящей через камеру и ассоциируются с колебаниями, возникающими от продольных колебаний ротора в корпусе турбобура и жидкости вышедшей из турбинок нижней секции.
Колебательные явления создаются непосредственно в устройстве и находят отражение в камере.
Любой периодический неустановившийся процесс может рассматриваться как сумма гармонических колебаний, отличающихся амплитудой и частотой колебаний
При этом учитывается, что при бурении трехшарошечными долотами, колебания вызываемые волнообразной поверхностью забоя ближе всего моделируются гармонической функцией вида:
0
Н=В(1-cosoωt)
Где: В - амплитуда, равная половине уступа на забое,
ω - частота возмущения.
дв
n - число оборотов двигателя
Как показывают экспериментальные исследования, представляемые зависимости вполне отвечают забойным условиям.
Из теории колебаний известно, что наложения их с разной частотой и амплитудой приводит к гашению колебаний. При этом следует учитывать нелинейность колебаний системы долото - турбобур - колонна бурильных труб. Поэтому изменения частот колебаний бурильного инструмента необходимо вести путем воздействия также колебаниями с гармоникой близкой к синусоидальной (или косинусоидальной).
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого турбобура.
1 - корпус, 2 - окна валу турбобура, 3 - комплекс из дисков статоров и роторов, 4 - резурвуар. 5 - показано в разрезе окна в статорах и перекрытия в роторах
На фиг.2 представлены схемы ротора с 3-мя перекрытиями и статора с 3-мя окнами. При вращении ротора происходит периодическое перекрытие открытых окон: фильтрационными решетками, затем перекрытиями.
При этом принято изменение давления, выраженное в условных единицах площади фильтрации.
- окно не перекрытое - f
- перекрытое окно - 0
1
2
- окно перекрытое решеткой - /f
1
4
- интервал перекрыт 2-я решетками - /f
На фиг.3 приведена диаграмма колебаний давления в камере, определяемые изменением площади фильтрационных отверстий.
Устройство работает следующим образом.
При бурении скважины турбобуром с трехшарошечным долотом буровой раствор, например вода, нагнетается по трубам и через турбобур с долотом проходит на забой. В процессе бурения происходят синусоидальные колебания системы статор - долото в корпусе турбобура. Колебания этой системы по вертикали определяются люфтом, который может быть в пределах от 3 до 10 мм и более Колебания этой системы получают выражение в импульсах выхода жидкости в камеру с вполне определенным режимом, который зависит от процесса разрушения забоя трехшарошечным долотом. Однако режим выхода жидкости из камеры отличается и происходит по другому закону. В результате жидкость в камере превращается в своем роде в жидкостной поршень.
Колебания жидкости в камере получают выражение в волновой энергии, которая при контакте с поверхностью, установленного на ее пути сопротивления. отражается в некотором соотношении скоростей волны в жидкостном волноводе - камере к скорости жидкости через отражатель. Одновременно устройством - отражателем, представленном в виде комплекса дисков статоров и роторов, создаются импульсы давления, которые также воздействуют на жидкость потока в камере.
Разный по амплитуде и частоте синусоидальный характер поступления жидкости в камеру из турбин турбобура и воздействие импульсов также синусоидального характера от отражателя приводит к нивелированию волнового характера движения потока, за счет изменения режима поступления жидкости к долоту.
Преимущества предлагаемого турбобура с дросселем заключаются в том, что устройство по выравниванию колебаний системы ротор-долото имеет синусоидальный характер режима прохождения через него жидкости подобной синусоидальным колебаниям бурильной колонны при бурении.
Устройство, встроенное в турбобур, обеспечивает широкий диапазон изменения режима колебаний давления в камере, что позволяет его применять в породах разной прочности. В зависимости от условий бурения: типа промывочной жидкости, диаметра долота и его вооружения в турбобуре может меняться количество дисков статоров и роторов в устройстве - дросселе.
Литература
1. Кузин Б.В. Пришляк И.Е. Разработка и промышленные испытания торсионных шпинделей ШИП-195 и ШИП-240 Труды ВНИИБТ Новые направления развития техники турбинного бурения. М, 1977 г.
2 Симонянц С.Л. Исследование и разработка системы демпфирования вибраций турбобура. Диссертация на соискание к.т.н. М, 1977 г., с 60-80