Демпфер гидравлический многоступенчатый модернизированный для бурения горизонтальных скважин-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Реферат

В данном дипломном проекте рассматривается демпфер гидравлический многоступенчатый модернизированный для бурения горизонтальных скважин. Данное устройство предлагается устанавливать между винтовым забойным двигателем и долотом. Конструкция проста в изготовлении, удобна при монтаже и его использование
уменьшит количество подъемов, увеличит срок службы долота в скважине, что положительно скажется на технико-экономических показателях.
Пояснительная записка включает в себя 3 раздела: техническую часть, экономическую часть и раздел безопасности и экологичности проекта. В техническую часть входят: назначение, описание конструкции демпфера гидравлического многоступенчатого, патентная проработка существующих конструкций демпферов гидравлических многоступенчатых в компоновке низа бурильной колонны, а также все необходимые расчеты для обеспечения работоспособности установки. Экономическая часть рассматривает вопросы обеспечения экономической эффективности при внедрении новой разработки демпфера гидравлического многоступенчатого. Раздел безопасности и экологичности проекта рассматривает вопросы охраны труда и окружающей среды при эксплуатации демпфера гидравлического многоступенчатого.
Дипломный проект состоит из: графического материала объемом в количестве листов формата А1, и пояснительной записки объемом машинописных листов, включающую рисунка, таблиц и формул, а также список литературы, включающий 13 пунктов.

5 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
МНОГОСТУПЕНЧАТОГО МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ДЕМПФЕРА

5.1 Оценка продольных колебаний бурильного инструмента

Теоретические и промысловые исследования показали, что на продольные колебания бурильного инструмента влияет работа шарошечного долота. По характеру возник¬новения продольные колебания подразделяются на высокочастотные и низкочастотные. Высокочастотные колебания (свыше 40 Гц) связаны с работой зубкового вооружения при перекатывании шарошек по неровностям забоя, а инфразвуковые колебания частотой 1 - 10 Гц - с релаксационными явлениями, наблюдающимися при взаимодействии бурильной колонны со стенками ствола при перемещениях бурильного инструмента в процессе углубления скважины. Инфразвуковые колебания бурильного инструмента при записи вибрации с большими скоростями протяжки ленты слабо прослеживаются на осциллограммах. Поэтому они не фиксируются наблюда¬телями. Однако низкочастотные колебания оказывают на про¬цесс бурения решающее влияние.
Сложный спектр частот продольных колебаний при работе бурильного инструмента вызывает определенные трудности при исследованиях. Многие авторы склонны считать, что для улучшения условий работы бурильного инструмента необхо¬димо добиваться полного прекращения вибрации колонны. Действительно, полное гашение продольных колебаний позволит повысить рабочий ресурс элементов бурильного инструмента. В этом случае работа долота по разрушению породы будет значительно ухудшена, так как шарошечное до¬лото представляет собой ударный инструмент. При этом пере-дача удара на забой скважины будет происходить без доста¬точной жесткости. Отсюда вытекает необходимость тщатель¬ного анализа закономерностей колебательных процессов, которые отрицательно отражаются на работе долота как породоразрушающего инструмента.
Практика показывает, что высокочастотные колебания бу¬рильного инструмента, возникающие при перекатывании зубьев шарошек по забою скважины и недостаточные по амп¬литуде для объемного разрушения породы, могут быть без ущерба для работы долота погашены. В этом случае опоры шарошек будут испытывать вибрации меньшей интенсивности и ресурс долота возрастет.
Низкочастотные колебания осевой нагрузки по амплитуде в 1,3 - 2,6 раза превышают статическое усилие нагружения долота бурильным инструментом (по данным В.П. Балицкого). Эта нагрузка способна создавать достаточные усилия для объемного разрушения забоя скважины. Следовательно, эффек¬тивность работы долота при гашении высокочастотных коле¬баний не снижается при условии сохранения действия дина¬мических импульсов, возникающих при низкочастотных коле¬баниях бурильного инструмента.
Инфразвуковые колебания, связанные с изменением уси¬лий прижатия бурильных труб к стенкам скважины, не вызы¬вают значительных динамических нагрузок, так как обладают низкой частотой. Они носят релаксационный характер и пол¬ностью связаны по частоте и амплитуде с низкочастотными крутильными колебаниями.

5.2 Конструкция и принцип действия гидравлического
многоступенчатого модернизированного демпфера

Опыт бурения скважин с применением наддолотных демп¬феров и виброгасителей показывает, что благодаря снижению интенсивности колебательных процессов они увеличивают срок службы элементов бурильного инструмента и повышают ресурс турбобура, что обеспечивает возрастание скорости бу¬рения и проходки на долото.
Данная конструкция демпфера, гидравлического принципа действия, является наиболее работоспособной, предназначенная для эффективного гашения высокочастотных зубковых колеба¬ний бурильного инструмента. Особенность конструкции этого виброгасителя - наличие корпуса, внутри которого размешены подвижный шток, жидкостные пружины и насадки, с помощью которых можно увеличивать гидравлическую нагрузку на долото.
Для повышения надежности и работоспособности, а также регулирования характеристики конструкция виброгасителя имеет следующие особенности. Регулирование жесткости гид¬равлической пружины осуществляется сту¬пенями, что позволяет исключить из конструкции упругий эле¬мент из эластомера, имеющий ограниченный срок службы. Для увеличения ресурса корпусных деталей виброгасителя установлены цилиндрические защитные втулки. Конструкция виброгасителя приведена на рисунке 5.1. Гидравлический виброгаситель состоит из кор¬пуса 1, внутри которого размещен выдвижной шток 2, пере¬дающий крутящий момент переводнику 3 с помощью шпонки 6, Выдвижной шток также может совершать возвратно-поступательное движение, для чего предусмотрены шпоночные канав¬ки. Для образования гидравлических камер подвижные порш¬ни 5 снабжены герметизированными перегородками и съемными насадками. Съемные втулки и подвижные поршни имеют уплотнения 8, 10,11. В кор¬пусе выполнены радиальное сверление 12 и кольцевая проточ¬ка, сообщающиеся с помощью отверстия 14 с камерой низкого давления 13.Установленный центратор способствует двустороннему закреплению в скважине . Фиксация демпфера осуществляется за счет внедрения лопастей центратора в обсадную колонну . Предлагается в центраторе использовать материал Сталь 45 ГОСТ 1050-71, с улучшенными свойствами , обеспечивающую закалку лопастей до 55 HRC , что гарантирует внедрение лопастей в стенки обсадной колонны . Снабжение корпуса калибрующими лопастями позволяет использовать демпфер в качестве расширителя-калибратора скважины, а также обеспечивает увеличение его межремонтного периода за счет снижения абразивного износа наружных частей. Кроме того, за счет трения лопастей со стенкой скважины обеспечивается дополнительный демпфирующий эффект. Увеличил длину штока чтобы можно было ключом производить разборку.
Виброгаситель работает следующим образом. В процессе бурения скважины за счет перепада давления на поршне што¬ка 2 возникает гидравлическая сила, которая с помощью выд¬вижного штока передается на долото. Под действием этой си¬лы долото прижимается к забою. Если эта нагрузка недос¬таточна для прижатия долота к забою, то шток 2 будет двигаться вверх, включая в работу подвижной поршень 5. При этом гидравлическая нагрузка увеличивается в два раза, и подвижные элементы виброгасителя займут нижнее поло¬жение, что предотвращает отскок долота. Отскоку долота с большой амплитудой противодействие будут оказывать подвижные поршни, начиная с нижнего. Так будет происходить автоматическое уменьшение продольных колебании долота в процессе бурения скважины.
Суммарная гидравлическая нагрузка, создаваемая вибро¬гасителем на долото, определяется по формуле:
, (5.1)
где - перепад давления на одной ступени виброгасителя, МПа;
- площадь поршня ступени виброгасителя, мм2.

Рисунок 5.1- Конструктивная схема гидравлического
Многступенчатого модернизированного демпфера
5.3 Результаты опытного бурения с применением наддолотных
демпферов

Бурение скважин с применением гидравлического демп¬фера в компоновке с турбобуром проводилось в различных условиях. Ниже приведены результаты бурения скважин в условиях Бавлинского УБР ПО "Татнефть". В процессе бурения скважины контролировали следующие параметры: время механического бурения, проходку на долото, время работы турбобура, осевую нагрузку на долото, давление про¬мывочной жидкости и т.д.
Бурение скважин вели буровой установкой БУ-75БрЭ, буровыми насосами БрН-1; промывочная жидкость в интервале опытного бурения - техническая вода; давление на стояке 8 -12 МПа; подача насосной установки равна 0,025 - 0,032 м3/с. Осевая нагрузка на долото составила 170-200 кН. Компоновка бурильного инструмента: бурильные трубы ТБПВ 127 х 9мм, турбобур ЗТСШ-195, гидравлический демпфер, долота Ш215.9 ЦВ, Ш215.9 ТКЗ и др.
Опытное бурение проводили в интервале от 780 до 1338 м, геологический разрез сложен твердыми и крепкими породами. Скважины второй категории сложности, проектная глубина скважины № 400 - 1995 м с отклонением 130 м, скв. № 1840 - 1310 м с отклонением 397 м.
Результаты опытного бурения с применением гидрав¬лического демпфера приведены в таблице 5.1. Для оценки эффективности гидравлического демпфера был выполнен сравнительный анализ результатов опытного бурения идентич¬ных скважин на той же площади, пробуренных той же компоновкой, но без демпфера, такого же геологического разреза и в тех же интервалах бурения, что и скважинах 400, 1100, 1830 (таблица 5.1). Сопоставление результатов бурения с приме¬нением демпфера и без него показывает, что при бурении с демпфером проходка на долото возрастает до 67,1 %, меха¬ническая скорость бурения до 22,4 %, межремонтный период турбобура до 50 %.

Таблица 5.1- Сравнительные данные по скважинам, пробуренные с использованием гидравлического демпфера и без него
Площадь Номер скважины Интервал применения, м Проходка, м Количество долблений Время механичес- кого бурения, ч Проходка на долото, м Механическая скорость, м/ч
Скважины, пробуренные с использованием гидравлического демпфера
Алексеевская 400 908-1338 430 3 29,9 143,3 16,4
Бавлинская 1100 1143-1323 180 3 7,9 60 22,8
Сабачинская 1830 780-1080 300 2 9,9 150 26,3
Средние показатели   910 8 47,7 113,7 19,1
Оценочные скважины, пробуренные в сходных геологических условиях без демпфера
Алексеевская 369 1087-1387 300 3 23,3 100 12,8
« 118 1116-1335 219 5 17,8 43,8 12,3
Бавлинская 1059 1000-1295 295 5 18,7 59 15,7
Сабачинская 1826 779-1120 341 6 19 56,8 17,9
« 1826 777-1098 321 3 15,8 107 20,3
Суммарные и средние показатели   1476 22 94,6 67,1 15,6

Увеличение проходки на долото, т.е. возрастание срока службы долота, а также межремонтного периода турбобура при бурении с демпфером, объясняется уменьшением амплитуды колебания осевой нагрузки при несимметричном цикле нагружения элементов долота.
Рост механической скорости бурения при сохранении срока работы долота объясняется нагружением долота дополни¬тельной осевой нагрузкой за счет снижения ее динамической составляющей.
В результате опытного бурения гидравлическим демпфером в условиях Бавлинского УБР ПО "Татнефть" установлено:
-проходка на долото в интервале опытного бурения возрос¬ла до 67,1 %, а механическая скорость бурения до 22,4 %;
-применение гидравлического демпфера позволяет повысить межремонтный период турбобура до 50 %.
Также в условиях Нурлатского УБР ПО "Татнефть" было пробурено 25 скважин с применением гид¬равлического демпфера.
Бурение скважин осуществляли буровыми установками БУ-2000 и БУ-2500, турбобуром ЗТСШ-195, бурильными трубами ГБПВ 127x9 мм, долотами трехшарошечными 215,9 ТЗ; 215,9 Т; 215,9 ТКЗ и др. В качестве промывочной жидкости приме¬няли техническую воду, в осложненных условиях глинистый раствор. Давление на стояке 10-15 МПа.
Фактическая глубина пробуренных скважин составляла от 1000 до 2500 м. Смещение забоя скважины - до 300 м и более. Геологический разрез пробуренных скважин в интервале от 250 до 2300 м сложен твердыми и крепкими породами. Бурение с применением КНБК-СА вели после спуска кондуктора и набора угла искривления скважины.
Результаты бурения скважин с применением гидравличес¬кого демпфера показали эффективность его использования в условиях Нурлатского УБР, Благодаря виброзащите буриль¬ного инструмента увеличивается стойкость долота, за счет чего возрастают проходка на долото и механическая скорость буре¬ния. На скважине 3955 за одно долбление было пробурено 83 м в интервале 1802 - 1885 м. По сравнению с соседними скважи¬нами проходка увеличилась более чем в 1,5 раза, также возросла механическая скорость бурения.
При статистической обработке результатов бурения уста¬новлено, что при использовании гидравли¬ческого демпфера в условиях Нурлатского УБР проходка на долото повышается до 67 %, а механическая скорость бурения на 14 %.

6 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДЕМПФЕРА

Суммарная гидравлическая нагрузка, создаваемая виброгасителем на долото, определяется по формуле:
, (6.1)
где - перепад давления на одной ступени виброгасителя, МПа;
- площадь сечения поршня одной ступени виброгасителя, мм2.
Перепад давления зависит от ряда факторов:
, (6.2)
где плотность жидкости, кг/м3;
скорость истечения жидкости из насадки, м/с;
коэффициент истечения жидкости из насадки, .
Суммарная скорость будет определятся выражением:
, (6.3)
где средняя объемная подача бурового насоса, 0,025 м3/с;
площадь сечения насадки, 125,6 мм2;
м/с
МПа
Т.к. площадь сечения поршня и насадки на первой ступени равна площади сечения поршня и насадки на второй ступени, то суммарная гидравлическая нагрузка на долото будет равна:
кН