Динаміка та стійкість бурильних колон бурових установок роторного типу - Автореферат

Великі глибини буріння, що визначають значні навантаження, та ефективність прохідки стволів і свердловин викликають необхідність проведення розрахунків напружено-деформованого стану бурильної колони (БК), який в багато чому залежить від режимів буріння. Для цього необхідно дослідити напружено-деформований стан БК при динамічних навантаженнях і умови втрати її стійкості, яка є однією з основних причин відхилення буріння від заданого вертикального напрямку. Розробка нових моделей динамічних процесів, уточнених розрахунків на міцність і стійкість БК методами математичної фізики та оцінка існуючих наближених розвязків із визначенням границь їх застосовності, що сприяють встановленню ефективних режимів буріння, якісної прохідки стволів і свердловин, запобіганню аварійних ситуцій, є актуальною і важливою проблемою народно-господарчого значення. Дисертаційна робота містить дослідження, виконані автором за тематичними планами науково-методичних робіт ДОННТУ: № М-4-96 “Підготовка до опублікування з грифом Міносвіти підручника для магістрів механічних спеціальностей “Динаміка стержньових і механічних систем”, № М-2-02 “Підготовка до опублікування з грифом Міністерства освіти і науки України навчального посібника “Задачі з опору матеріалів” і державної науководослідної теми Г2-97 “Розробка теорії динамічних процесів і обгрунтування раціональних кінематичних параметрів бурових комплексів для прохідки шахтних стволів і свердловин великого діаметра” (№0197U00824), у виконанні якої автор приймав участь як старший науковий співробітник. Мета і задачі дослідження - встановити закономірності в динамічних процесах БК як системи з розподіленими та зосередженими масами і в стійкості колони як вагомого стержня, що зазнає розтягу-стиску, і на цій основі розробити уточнену теорію розрахунків на динамічні навантаження при різних технологічних режимах буріння та у відповідності з експлуатаційними та аварійними роботами.А розвязання задач за хвильовою теорію методом Фурє не отримало широкого розповсюдження, що пояснюється неортогональністю власних функцій у випадку наявності зосереджених мас на кінцях стержня (модель БК) і слабкою збіжністю рядів для похідних, що визначають напруження і швидкості коливань. Наведений у дисертаційній роботі аналіз літературних джерел, а також сама практика буріння показують необхідність проведення досліджень у динаміці та стійкості БК. В цьому випадку можна показати безпосередньо або із загальної теорії власних функцій, що вони будуть ортогональні з вагою де - дельта-фукнкція Дірака. Із рівняння (5), використовуючи рекурентні співвідношеня для функцій Бесселя і Ломмеля, визначаються похідні які необхідні, щоб задовольнити граничні умови. Із розвязання цієї граничної задачі за допомогою асимптотичних представлень для власних значень і відомих сум деяких рядів Фурє отримана формула для максимальних дотичних напружень, де - зовнішній радіус БК, За формулою (9) було проведено обчислення напружень в залежності від глибини буріння, які виявились значно більшими, ніж напруження при вимушених гармонічних крутильних коливаннях, тобто коли крутячий момент змінюється за гармонійним законом.Досліджено вплив опору промивної рідини на напружено-деформований стан і стійкість бурильних колон, у тому числі розвязана нова задача про лобовий опір обтяжувачів. Розглянуто застосування методу Фурє для систем із розподіленими та зосередженими параметрами, які є моделлю бурового устаткування: вишка - талева система - бурильна колона - обтяжувачі з долотом, коли власні функції ортогональні з вагою. Показано, що динамічні напруження при поздовжніх при поздовжніх коливаннях зростають із збільшенням глибини буріння і незначно залежать від жорсткості талевої системи та кутової швидкості обертання колони. Із розвязку задачі про вимушені крутильні коливання витікає, що максимальні дотичні напруження зменшуються зі збільшенням глибини буріння та зменшенням ваги обтяжувачів. Результати розглянутих задач із динаміки крутильних, поперечних коливань і стійкості бурильних колон лягли в основу рекомендацій по вибору оптимальних режимів буріння при різних глибинах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій виконана розробка теорії динамічних процесів і стійкості бурильних колон бурових установок роторного типу, що грунтується на дослідженні механічної системи з розподіленими та зосередженими параметрами і стійкості колони як вагомого стержня при розтязі-стиску. Результати досліджень лягли в основу практичних рекомендацій по проектуванню і технологічним режимам буріння колон. Крім того, її методи можуть бути використані для механічного устаткування, яке має пружні стержньові системи, зокрема, для колон бурових установок інших типів.

Основні наукові та практичні результати, висновки і рекомендації виконаних досліджень полягають у наступному: 1. На основі отриманої математичної моделі сумісних коливань бурильних колон проведено аналіз взаємовпливу поздовжніх, поперечних і крутильних коливань. Доведено, що крутильні коливання є відокремленими, поперечні коливання практично не впливають на поздовжні, та поздовжні можуть викликати параметричний резонанс поперечних коливань. Проте в колоні при розтязі динамічна область нестійкості достатньо вузька, і тому на практиці буріння для установок роторного типу такий параметричний резонанс не відбувається.

2. Досліджено вплив опору промивної рідини на напружено-деформований стан і стійкість бурильних колон, у тому числі розвязана нова задача про лобовий опір обтяжувачів. Показано, що цей вплив для бурових установок системи “WIRTH” незначний.

3. Розглянуто застосування методу Фурє для систем із розподіленими та зосередженими параметрами, які є моделлю бурового устаткування: вишка - талева система - бурильна колона - обтяжувачі з долотом, коли власні функції ортогональні з вагою. Це дало можливість розвязати ряд нових задач у динаміці бурильних колон.

4. На основі точного розвязання рівняння поздовжніх коливань механічної системи виконані оцінки спрощених інженерних методів динамічних розрахунків. Із порівняння витікає, що вплив вишки та її жорсткості можна не враховувати, жорсткість талевої системи повинна враховуватись при глибинах буріння менше 500 м, для глибин буріння більше 800 м впливом талевої системи можна знехтувати. Оцінки розповсюдженої теорії про заміну системи з розподіленими параметрами дискретною показали, що це спрощення допустиме тільки для основної частоти коливань і глибин менше 600 м.

5. Досліджені вимушені поздовжні та крутильні коливання бурильних колон із урахуванням талевої системи й ваги обтяжувачів із долотом. Показано, що динамічні напруження при поздовжніх при поздовжніх коливаннях зростають із збільшенням глибини буріння і незначно залежать від жорсткості талевої системи та кутової швидкості обертання колони. Із розвязку задачі про вимушені крутильні коливання витікає, що максимальні дотичні напруження зменшуються зі збільшенням глибини буріння та зменшенням ваги обтяжувачів.

6. Розвязана нова задача визначення власних частот згинальних коливань бурильної колони, що зазнає розтягу-стиску. Аналіз виконаних розрахунків показав, що розтяг збільшує частоти коливань особливо при глибинах більше 50 м. Порівняння з частотами, обчисленими за відомою наближеною формулою для окремого випадку розтягу, показало що різниці значні (до 100%) для малих глибин буріння. Із збільшенням глибин і для високих обертонів коливань вони зменшуються.

7. Проведена класифікація ударних процесів у бурових установках і виконано дослідження їх математичних моделей, що раніше в літературі наводилось тільки для деяких окремих випадків крутильного удару. На основі проведених досліджень дається ряд рекомендацій з технологічних питань буріння вертикальних свердловин роторним способом.

8. Вперше отримані аналітичні розвязки задач про поздовжні та крутильні удари на основі хвильової теорії дозволили отримати зручні формули для інженерних розрахунків і провести оцінки наближених методів розрахунку на практиці. Обчислення показали, що похибки наближених методів обчислення напружень, викликаних змінюванням швидкості, досягають 40%.

9. Вперше отримано рівняння зігнутої осі колони як вагомого стержня в спеціальних функціях Бесселя і Ломмеля. Це дало можливість розвязати задачу стійкості з різними граничними умовами та з урахуванням спряження розтягнутого і стиснутого участків колони. Такий підхід дозволив зробити оцінку наближеного методу розвязання задач стійкості, коли розподілене навантаження замінюється зосередженим, і отримати формули для критичних навантажень при великих глибинах буріння, що раніше в літературі виконувалось тільки чисельними методами.

10. Проведено дослідження впливу крутячого моменту і кутів закручування на стійкість бурових колон. Вперше показано, що урахування закручування колони як пружного вагомого стержня суттєво зменьшує значення критичного моменту (у 2,35-6 разів) в залежності від глибини буріння. Крутячий момент на роторі на стійкість колони практично не впливає.

11. Розвязана нова задача про динамічну стійкість бурильної колони з урахуванням розподіленого від ваги навантаження при жорсткому защемленні торців. Визначені критичні швидкості обертання колони, які відрізняються від наближених у 1,5 рази.

12. Результати роботи по динаміці поздовжніх коливань лягли в основу динамічного розрахунку ловильного пристрою, за допомогою якого були ліквідовані наслідки надто рідкої, нестандартної аварії при прохідці шахтного вентиляційного ствола на шахті “Краснолиманська” в 1999 р. Практичний досвід витягання відірваного бурильного інструмента з достатньою точністю підтвердив теоретичні розробки.

13. Результати розглянутих задач із динаміки крутильних, поперечних коливань і стійкості бурильних колон лягли в основу рекомендацій по вибору оптимальних режимів буріння при різних глибинах. Це дозволило раціонально задавати швидкості обертання колони, натяги канатів талевої системи та час навантаження ротора, щоб запобігти втраті стійкості прямолінійної форми колони і додадковим динамічним напруженням.

14. Наочність застосування методу Фурє в системах із розподіленими та зосередженими параметрами дозволяє використовувати такий підхід для розвязання задач динаміки стержньових систем у навчальному процесі при викладанні спецкурсів для магістрів.

Публікації за темою дисертації та особистий вклад здобувача: 1. Шевченко Ф.Л., Улітін Г.М. Динамічні задачі стержньових систем. - К.: ІСДО, 1995. - 100 с.

2. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Вычисление перемещений при изгибе гибких стержней// Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1991. - №8 - С. 22-26.

3. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Динамика балки на сплошном упругом основании// Изв. вузов. Строительство. - 1996. -№4. - С. 31-36.

4. Улитин Г.М. Решение динамических задач на ударную нагрузку в буровых установках роторного типа// Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - №2. - С. 78-80.

5. Улитин Г.М. О динамических нагрузках в буровых установках роторного типа при продольных колебаниях// Известия Донецкого горного института. - 1999. - №1. - С. 89-90.

6. Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Ударные процессы в буровых установках// Вибрации в технике и технологиях. - 2000. - №1. - С.70-74.

7. Улитин Г.М. Продольные колебания упругого стержня, моделирующего буровую установку// Прикладная механика. - 2000. - №10. - С. 125-128.

8. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Влияние сопротивления промывочной жидкости на динамику буровой колонны// Изв. вузов. Горный журнал. - 2000. - №6. - С. 31-36.

9. Улитин Г.М., Шевченко Ф.Л. О взаимном влиянии колебательных процессов в динамике буровых колонн// Изв. вузов. Горный журнал. - 2000. - №6. - С.60-63.

10. Улитин Г.М. Продольно-поперечный изгиб и устойчивость бурильных колонн// Известия Донецкого горного института. - 2000. - №2. - С. 26-28.

11. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М., Гуня А.П., Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Разработка ловильного устройства для ликвидации аварий при проходке вертикальных скважин// Известия Донецкого горного института. - 2000. - №1. - С. 101 - 105.

12. Улитин Г.М. Обеспечение динамически устойчивой работы буровой колонны роторного типа// Уголь Украины. - 2001. - №1. - С. 28-29.

13. Улитин Г.М. Изгибные колебания бурильной колонны с учетом растяжения-сжатия// Известия Донецкого горного института. - 2001. - №2. - С.28-30.

14. Ulitin G. Solutions for an equation of a bend of a weighable rod// Buletinul stiintific al universitatii din Baia Mare. - 2001. - Vol. 17, N1-2. - P. 169-172.

15. Улитин Г.М. Устойчивость колонны буровой установки роторного типа// Проблемы прочности. - 2002. - №1. - С. 130-135.

16. Улитин Г.М. Устойчивость бурильной колонны при кручении// Вибрации в технике и технологиях. -2002. - №1. - С. 86-88.

17. Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Влияние скорости промывочной жидкости на напряженно-деформированное состояние бурильной колонны при продольных колебаниях// Вибрации в технике и технологиях. - 2002. - №2. - С. 49-53.

18. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Исследование частот собственных колебаний буровых установок роторного типа// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДОНГТУ. - 1998. - Вып. 5. - С. 231-234.

19. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Крутильный удар при свободных колебаниях в буровых установках// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДОНГТУ. - 1999. - Вып. 8. - С. 244-247.

20. Улитин Г.М. Продольные удары при спуске буровой колонны// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДОНГТУ. - 2000. - Вып. 10. - С. 249-253.

21. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М., Гуня А.П., Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Устранение аварий при проходке стволов буровой установкой системы “WIRTH”// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДОНГТУ. - 2000. - Вып. 14. - С. 86-93.

22. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Методы расчета бурильных колонн на продольный удар// Наукові праці ДОНДТУ. - Донецьк: ДОНДТУ. - 2001. - Вип. 27. - С. 414-420.

23. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Тю Н.С. Колебания бурильной колонны с учетом внутреннего трения// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДОНГТУ. - 2001. - Вып. 18. - С. 81-86.

24. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. О разновидностях крутильных ударов, возникающих при работе буровых установок, и способы их устранения// Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Уральская ГГА. - 2001. - Вып. 24. - С. 132-138.

25. Улитин Г.М. Об особенностях расчета на устойчивость бурильных колонн при больших глубинах бурения// Наукові праці ДОНДТУ. - Донецьк: ДОНДТУ. - 2001. - Вип. 24. - С. 77-79.

26. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М. Ловильные устройства для ликвидации аварий при проходке скважин буровыми установками// Наукові праці ДОНДТУ. Донецьк: ДОНДТУ. - 2001. - Вип. 24. - С.99-104.

27. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. К вопросу об устойчивости бурильной колонны буровых установок роторного типа// Захист металургійних машин від поломок. - Маріуполь: ПДТУ. - 2002. - Вип. 6. - С. 217-222.

28. Шевченко Ф.Л., Улітін Г.М. Динамічні задачі стержньових систем// 2-й Міжнар. симп. українських інженерів-механіків. - Львів: ДУ “Львівська політехніка”. - 1995. - С. 56.

29. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Решение динамических задач с учетом свойств собственных функций для стержневых систем с распределенными и дискретными параметрами// Труды Региональной конференции, посвященной 75-летию ДОНГТУ. - Донецк: ДОНГТУ. - 1996. - С. 97-100.

30. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Динамические задачи весомых стержней ступенчато-переменной жесткости// Труды Междунар. конф. “Металлостроительство-96”. - Том 2. - Донецк-Макеевка: Донбасская ГАСА. - 1996. - С. 85-87.

31. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. О влиянии сопротивления промывочной жидкости на продольные колебания буровой колонны// Труды Междунар. конф. “Прогрессивные технологии машиностроение и современность”. - Донецк: ДОНГТУ. - 1997. - С. 262-263.

32. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Моделирование свободных и вынужденных колебаний установок реактивно-турбинного бурения// Труды Междунар. конф. “Прогрессивные технологии машиностроения и современность”. - Донецк: ДОНГТУ. - 1997. - С. 263-264.

33. Улитин Г.М. Математическая модель продольных колебаний буровой колонны// Труды Междунар. конф. “Прогрессивные технологии машиностроения и современность”. - Донецк: ДОНГТУ. - 1997. - С. 247-248.

34. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. К определению динамических параметров буровой вышки системы “WIRTH”// Труды V Междунар. конф. “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века”. - Том 3. - Донецк: ДОНГТУ. - 1998. - С. 274-277.

35. Петтик Ю.В., Улитин Г.М. Разработка элементов САПР динаміки буровых систем// Труды VI Междунар. конф. “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века”. - Том 2. - Донецк: ДОНГТУ. - 1999. - С. 263-266.

36. G.M. Ulitin. On stability of boring colomns// Stability, control and rigial bodies dynamics. VIII International Conference. Book of abstract. - Donetsk (Ukraine). - 2002. - P.118.

Особистий вклад автора в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: [1, 3, 22, 24, 28-30] - постановка математичних моделей та їх розвзання методом Фурє з урахуванням вагової функції та дослідження отриманих результатів за допомогою методу поліпшення збіжності рядів; [2] - розвязання нелінійного диференціального рівняння зігнутої осі стержня та аналіз отриманих результатів; [6, 19] - формулювання загальної постановки та розвязання задачі для бурових установок роторного типу; [8, 31, 32] - розвязання математичних моделей і проведення досліджень; [9] - дослідження системи диференціальних рівнянь, що описують сумісні коливальні процеси; [11, 21, 26] - проведення динамічного розрахунку ловильного пристрою; [17] - формулювання постановки задачі та метод її розвязання; [18] - отримання та дослідження частотного рівняння; [23] - формулювання математичних моделей і розвязання граничних задач; [27] - дослідження рівняння стійкості; [34] - виконання розрахунків динамічних параметрів бурової вишки; [35] - формулювання математичної моделі та її дослідження для бурової установки “WIRTH”.