Трушкин Олег Борисович. Анализ силовых и энергетических параметров работы породоразрушающих инструментов на базе разработанного автономного цифрового измерительного устройства

brief description

Трушкин Олег Борисович. Анализ силовых и энергетических параметров работы породоразрушающих инструментов на базе разработанного автономного цифрового измерительного устройства : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.13 Уфа, 2006 200 с. РГБ ОД, 61:07-5/27

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ТРУШКИН Олег Борисович
АНАЛИЗ СИЛОВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ НА БАЗЕ РАЗРАБОТАННОГО АВТОНОМНОГО ЦИФРОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы"
(нефтегазовая отрасль)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, с.н.с. Акчурин Х.И.
Уфа - 2006 
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение 5
Глава 1. Актуальность разработки методологических основ оценки эффективности конструкций породоразрушающих инструментов 10
1.1. Процесс бурения и силовые параметры работы колонны бурильных труб и породоразрушающего инструмента 10
1.2. Существующие методы и устройства для оценки совершенства конструкций породоразрушающих инструментов по результатам регистрации силовых параметров их работы 17
1.3 Требования к автономному цифровому измерительному устройству и обоснование параметров его механической и электронной частей 26
1.4 Выводы 28
Глава 2. Тензометрический преобразователь силовых параметров 30
2.1 Структурная схема тензопреобразователя 30
2.2 Обоснование продольных размеров преобразователя 33
2.3 Схемы наклейки тензорезисторов и соединения их в мосты 35
2.4 Влияние неточности наклейки тензорезисторов на инвариантность
преобразования силовых параметров 44
2.5 Выводы 53
Глава 3. Разработка автономного цифрового устройства для измерения, регистрации и анализа четырех силовых параметров породоразрушающего и бурильного инструментов 55
3.1 Функциональная структура АЦИУ 55
3.2 Повышение точности измерения силовых параметров методом образцовых мер 58
3.3 Конструктивная и аппаратная реализация АЦИУ 62
3.4 Градуировка каналов измерения силовых параметров 77
3.5 Алгоритмы работы АЦИУ и программы для микроЭВМ, реализующие эти алгоритмы 82
3.6 Частота дискретизации и погрешность восстановления сигнала 89
3.7 Программы для ПЭВМ, обеспечивающие эксплуатацию АЦИУ 91
3.8 Выводы 93
Глава 4. Анализ стендовых характеристик некоторых породоразрушающих
инструментов 96
4.1 Методика проведения экспериментов и обработки результатов регистрации параметров и показателей работы породорзрушающих инструментов 96
4.2 Показатели работы долот при стендовом бурении 106
4.3 Крутящий и изгибающий моменты, приведенная поперечная
сила при работе долот на стенде 114
4.4 Динамика силовых параметров работы долот при стендовом бурении 125
4.5 Выводы 134
Глава 5. Анализ причин возникновения изгибающего момента при работе
породоразрушающего инструмента 137
5.1 Факторы, определяющие изгибающий момент в некотором сечении над долотом при его работе на забое 137
5.2 Действие изгибающего момента на корпус долота при стендовом бурении 142
5.3 Действие приведенной поперечной силы на долото относительно забоя скважины 153
5.4. Выводы 157
161
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 159
Список использованных источников Приложение 1
Приложение 2 * Приложение 3
177
179
186
196
202
Приложение 4 Приложение 5 Приложение 6
*
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В настоящее время в нашей стране более 50% существующих запасов нефти вовлечено в разработку, половина из которых выработана. Вновь вводимые в разработку запасы расположены на значительно больших глубинах по сравнению с разработанными и характеризуются более сложным горно-геологическим строением горизонтов. В этих условиях ставит¬ся вопрос об увеличении объемов бурения и улучшении технико- экономиче¬ских показателей процесса бурения. Одну из основных ролей в повышении эф¬фективности процесса бурения играет породоразрушающий инструмент, конст¬рукция которого непрерывно совершенствуется заводами изготовителями.
Оценка эффективности вновь разработанной конструкции породоразру¬шающего инструмента, связанная с дорогостоящими и мало информативными промысловыми испытаниями, по которым сложно дать однозначное заключе¬ние. При промысловых испытаниях особенно ценной является информация об основных силовых параметрах работы породоразрушающих инструментов: осевой нагрузке, изгибающем и крутящем моментах, причем не только о сред¬них значениях этих параметров, но и о их текущих значениях, изменяющихся с частотой до 300 Гц. Из-за несовершенства существующих систем измерения в процессе бурения информации об указанных параметрах не достаточно. Про¬блема осложняется еще и тем, что на работу долота оказывают большое не од¬нозначное влияние такие условия испытаний, как вид привода, конструкция ни¬за бурильной колонны, свойства промывочной жидкости и ряд других факто¬ров. Поэтому для устранения такого влияния прибегают к стендовым испыта¬ниям, которые с полной базой данных о показателях и параметрах работы доло¬та и соответствующим анализом этой базы позволяют оперативно и с мини¬мальными затратами оценить эффективность конструкции нового породорзру- шающего инструмента, а при необходимости наметить пути по его совершенст¬вованию. Эффективность стендовых испытаний зависит от их методологиче¬ских основ. Существующие на сегодняшний день разрозненные элементы таких
основ не позволяют в полной мере воспользоваться возможностями стендовых испытаний.
Исходя из этого актуальными являются разработка и создание автономного измерительного устройства трех силовых параметров работы породоразру¬шающих инструментов в скважинном и стендовом вариантах и алгоритм его применения, задача по разработке принципов оценки эффективности конструк¬ции и точности изготовления породоразрушающих инструментов.
Цель работы. Разработка методологических основ оценки эффективности конструкции и точности изготовления породоразрушающих инструментов на базе измерения и анализа стендовых характеристик долот с помощью автоном¬ного цифрового устройства для измерений и регистрации осевой нагрузки, кру¬тящего и изгибающего моментов в любом сечении бурильной колонны.
Основные задачи исследований:
1) анализ силовых параметров работы бурильной колонны и породоразру¬шающих инструментов, существующих конструкций устройств для измерения и регистрации этих параметров, а также разработка требований к автономным измерительным устройствам;
2) разработка автономного устройства для измерений и регистрации сило¬вых параметров, обеспечивающего инвариантность измеряемых параметров по отношению друг к другу и к внешним воздействиям, и его конструктивная и аппаратная реализация;
3) разработка программного обеспечения измерений, регистрации и анализа результатов измерений в автоматизированном режиме;
4) разработка новых принципов оценки эффективности конструкции и точ¬ности изготовления породоразрушающих инструментов на базе изучения сило¬вых и энергетических параметров и показателей работы шарошечных долот и долот, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), при стендо¬вом бурении с использованием разработанного автономного измерительного устройства и программного обеспечения.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: конечно-элементный анализ упругих деформаций, теория электрических цепей, теория инвариантности измеряемых параметров, экспериментальные лабора¬торные исследования, теория вероятности и математическая статистика. При разработке программного обеспечения использовались алгоритмические языки Turbo Pascal, Assembler и VBA.
Научная новизна.
1. Обосновано и реализовано инвариантное измерение силовых параметров работы долот и показано, что анализ графиков суммарного действия изгибаю¬щего момента по секторам долота и забоя, построенных в полярной системе ко¬ординат, позволяет оценить оптимальность расположения зубков и резцов на рабочих элементах как шарошечных долот, так и долот, оснащенных АТП, с точки зрения сбалансированности конструкции, а также возможности искрив¬ления ствола скважины и формирования некруглого забоя при бурении. Крите¬рием оптимальности является форма графика в виде окружности с минималь¬ным радиусом и минимальным эксцентриситетом относительно оси долота.
2. Показано, что величина изгибающего момента, действующего в колонне бурильных труб над долотом, при бурении как шарошечными, так и режуще скалывающими с АТП долотами, соизмерима с величиной крутящего момента и его следует учитывать при расчете форм устойчивости низа бурильной ко¬лонны и ее центрирования в скважине.
3. Установлено, что при разбуривании пластично-хрупких горных пород как долотами режуще скалывающего действия, оснащенными АТП, так и ша¬рошечными, имеет место скачкообразное объемное разрушение породы. Это делает возможным оптимизировать их работу на забое по минимуму энергоем¬кости разрушения породы.
4. Экспериментально доказано, что выполнение фаски на режущей кром¬ке АТП с целью предупреждения ее выкрашивания не приводит к увеличению энергоемкости разрушения горной породы, а лишь изменяет соотношение меж¬ду осевой нагрузкой и крутящим моментом на долоте.
На защиту выносятся:
1) требования к автономному цифровому устройству и отдельным его уз¬лам для измерения и регистрации силовых параметров работы колонны бу¬рильных труб в процессе бурения скважины;
2) тензопреобразователь силовых параметров с математической моделью, обеспечивающий инвариантность силовых параметров по отношению друг к другу и к внешним воздействиям, анализ влияния неточности его изготовления на инвариантность;
3) функциональная структура автономного цифрового устройства силовых параметров в колонне бурильных труб с использованием тестового метода по-вышения точности измерений;
4) конструктивная и аппаратная реализация автономного цифрового изме-рительного устройства (АЦИУ) стендового и забойного вариантов и программ¬ное обеспечение их работы и анализа результатов;
5) результаты изучения силовых и энергетических характеристик работы шарошечных долот и долот режуще-скалывающего действия с резцами АТП при стендовом бурении;
6) критерии оценки качества конструкции и технологии изготовления по-родоразрушающих инструментов.
Практическая ценность работы:
Созданы АЦИУ забойного и стендового вариантов для измерения и регист¬рации силовых параметров в бурильной колонне в процессе бурения, в которых реализованы система компенсации скважинного давления в тензопреобразова- теле, автоматический запуск АЦИУ на забое (патент № 2131974), самотестиро¬вание измерительных каналов (патент № 2131973) и программное обеспечение их работы в автономном режиме (свидетельство об официальной регистрации №2003612339). Стендовый вариант внедрен в производство для оценки эффек¬тивности конструкции и качества изготовления породоразрушающих инстру¬ментов на ОАО "Уралбурмаш" (Приложени 6).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла-
дывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XXXXVII-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и моло¬дых ученых (Уфа, 1996 г.), 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - секции горно-геологическая и автоматизации производственных процессов (Уфа, 1997 г.), второй всероссийской конферен¬ции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой про¬мышленности России. (Москва, 1997 г.), Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ “Проблемы нефтегазового ком¬плекса России”. (Уфа, 1998 г.), третьей всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, посвященной 70-летию Российского Государственного Университета Нефти и Газа имени И.М. Губкина “Новые технологии в газовой промышлен¬ности” (Москва, 1999 г.), Международной научно-технической конференции “Измерения-2000“. Направление 6: "Информационно-измерительные системы в нефтегазовой промышленности". (Пенза, 2000 г.) и доклад на Всероссийской научно-технической конференции “Актуальные проблемы проектирования, производства и эксплуатации изделий машиностроения” (Самара, 2001 г.)
Публикации по теме диссертации. Основные материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в двух патентах РФ и одном свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пя¬ти глав, основных выводов и результатов, библиографического списка и при¬ложений.
Работа изложена на 202 страницах машинописного текста и включает 44 рис., 6 табл., библиографический список из 142 наименований, 6 приложе¬ний на 28 страницах.

bibliography

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Разработаны методологические основы оценки эффективности конструк¬ции и точности изготовления породоразрушающих инструментов, включающие созданное в скважинном и стендовом вариантах автономное цифровое измери¬тельное устройство, защищенное патентами РФ № 2131973, №2131974, про¬граммное обеспечение его работы, (свидетельство об официальной регистрации №2003612339), программное обеспечение обработки результатов измерений, и базирующиеся на анализе осевой нагрузки, крутящего и изгибающего момен¬тов, измеренных при бурении породы на стенде.
2. Одним из основных положений разработанных методологических основ является измерение изгибающего момента и расчет положения плоскости его действия относительно корпуса долота и плоскости забоя, а также построение графиков суммарного действия изгибающего момента по секторам долота и за¬боя в полярной системе координат, которые позволяют оценивать оптималь¬ность расположения элементов вооружения на шарошках или лопастях, воз¬можные погрешности изготовления и вероятность формирования долотом не круглого поперечного сечения скважины, а также степень возможного отклоне¬ния им ствола от заданного направления. Основным критерием оценки качества конструкции является равномерное распределение суммарного изгибающего момента по периметру долота и минимизация его значений.
3. Стендовое бурение при жестком шпинделе станка и гидравлическом на¬гружении выявляет конструктивные и технологические (точность изготовле¬ния) причины динамики работы вооружения долот как источника вынужден¬ных колебаний колонны бурильных труб. Коэффициенты динамичности всех силовых параметров с увеличением осевой нагрузки снижаются с разной ин¬тенсивностью, связанной со скачками разрушения породы. Средние значение коэффициентов динамичности осевой нагрузки для шарошечных долот типа "С" и "СЗ" лежат в диапазоне 1,14... 1,17, а для долот РСА 1,25... 1.39. Средние значения коэффициентов динамичности осевой нагрузки, крутящего и изги¬бающего моментов для шарошечных долот находятся в следующем соотноше¬нии 1: 1,27:1,59, а для долот РСА 1:1,07:1,36. Эти соотношения могут быть приняты при технологических расчетах условий работы породоразрушающего и бурильного инструментов.
4. Выявлена существенная разница в энергоемкостях разрушения породы однотипными по назначению шарошечными долотами типа "С" и "СЗ", что свидетельствует о наличии резервов как для совершенствования конструкций долот, так и для выбора варианта конструкции в соответствии с конкретными условиями бурения. При бурении долотами режуще скалывающего действия, оснащенными алмазно-твердосплавными пластинами, как с фаской на режущей кромке, так и без фаски, имеет место скачкообразное, объемное разрушение пластично-хрупких пород. Для достижения одинаковой проходки за оборот до¬лотом с АТП с фасками, осевую нагрузку на него надо создавать в среднем на 60% выше, чем без фасок.
5. Общей тенденцией для всех долот является рост удельного крутящего момента с увеличением нагрузки на долото. Характерные перегибы на зависи¬мостях удельного момента от осевой нагрузки хорошо согласуются со скачка¬ми разрушения породы. Среднее значение удельного момента для долот РСА с острыми кромками резцов в 6,9, а с фасками в 4,7 раза выше средних значений для шарошечных долот.
6. Величина изгибающего момента, действующего в колонне бурильных труб над долотом,, при бурении как шарошечными так и режуще скалываю¬щими с АТП долотами, соизмерима с величиной крутящего момента по уровню эквивалентных напряжений. Для шарошечных долот типа "С" и "СЗ"отношение изгибающего момента к крутящему лежит в пределах 4,3.. .0,72, а для долот РСА в пределах 2,5.. .0,4, и его следует учитывать при расчете форм устойчи¬вости низа бурильной колонны и ее центрирования в скважине.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
1. А.С. № 1502815 (СССР). Устройство для измерения осевой нагрузки на долото в колонне бурильных труб. Авт. изобрет.: В.П. Дверий. (Е 21 В 45/00), Бюл.№ 31, 23.08.89
2. А.с. 1002444 (СССР). Преобразователь веса бурового инструмента и осевой нагрузки на долото. Авт. изобрет.: Ю.Д.Коловертнов (Е 21 В 45/00), Бюл. № 43, 29.09.85
3. А.С. № 1158747 (СССР). Забойный регистратор осевой нагрузки на долото. Авт. изобрет.: В.М. Ивасив, В.В. Кочуков, М.Г. Абрамсон, В.Ф. Плисак и В.Н. Матвиевский. (Е 21 В 45/00), Бюл. № 20, 30.05.85
4. А.С. № 1170129 (СССР). Забойное устройство для измерения осевой нагрузки. Авт. изобрет.: В.И. Лагутин, Ю.М. Гольдштейн, Л.Е. Голиков и др.
(Е 21 В 45/00), Бюл. № 28, 30.07.85
5. А.С. № 1461882 (СССР). Устройство для контроля параметров процесса бурения. Авт. изобрет.: В.Н. Рукавицын, А.М. Мелик-Шахназаров, Л.И. Орлов и В.Ш. Дубинский. (Е 21 В 45/00), Бюл. № 8, 28.02.89