Файл: Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром.pdf

Таким образом, мы располагаем сведениями о температуре ок­ ружающей среды электробуров, предназначенных для работы на различных глубинах.

При бурении глубоких скважин в районах с высоким геотерми­ ческим градиентом следует учитывать обстоятельства, вследствие которых нагрев двигателя электробура достигает установившейся температуры только тогда, когда забойная температура циркули­ рующего бурового раствора снизится до минимального значения. Эти обстоятельства следующие:

1) после спуска бурильной колонны в течение 15—25 мин про­ водят промывку и затем проработку участка скважины, пройден­ ного предыдущим долотом; при проработке двигатель работает

врежиме, близком к режиму холостого хода;

2)для приработки долота при электробурении нагрузка на него

1 тс осевой нагрузки, чем изношенное;

4) обмотка двигателя электробура при номинальной мощности нагревается до установившейся температуры только через 12— 18 мин. В связи с перечисленным выше следует считать, что об­ мотка двигателя до установившейся температуры может нагре­ ваться через 42—63 мин после начала циркуляции бурового рас­ твора. Это время примерно совпадает со временем, в течение которого температура циркулирующей жидкости снижается до ми­ нимального значения Ѳзцм. Кроме того, следует учитывать, что изо­ ляция класса ВС, применяемая в двигателях электробуров, допу­ скает кратковременный перегрев до 170° С.

Таким образом, для проектирования можно принять темпера­ туру окружающей среды электробура, равную температуре цирку­ лирующего бурового раствора после спада до минимального зна­ чения Ѳзцм.

Осевые нагрузки, вибрации, удары

Разрушение забоя скважин осуществляется посредством вра­ щения породоразрушающего инструмента, находящегося под дей­ ствием осевой нагрузки. Для эффективного разрушения горной породы шарошечными, алмазными и лопастными долотами зада­ ются различные осевые нагрузки. Наибольшие осевые нагрузки,, допускаемые при бурении шарошечными долотами приведены в табл. 3 [62].

Способы создания осевой нагрузки на долото при роторном,, турбинном способах бурения и электробурении несколько отлича­ ются. При роторном бурении осевая нагрузка на долото создается весом GTp сжатой нижней части колонны бурильных труб, при тур­ бинном бурении—-полностью или частично перепадом гидравличе­ ского давления в турбине турбобура.

2а

Когда турбобур приподнят над забоем, вес его ротора Gp и гидравлическая нагрузка на ротор Gr воспринимаются верхней поверхностью подпятников. При этом гидравлическая нагрузка

Ог

где Ар — перепад давления в турбобуре и долоте, кгс/см2; Dcp — расчетный диаметр турбины, см.

По мере восприятия осевой нагрузки GÄ долотом верхняя по­ верхность подпятников разгружается и когда

0 Л= 0 т-\-0р,

подпятники нагрузки не несут. Дальнейшее увеличение нагрузки на долото осуществляется прибавлением к гидравлической на­ грузке и к весу ротора веса статора турбобура и сжатой нижней части колонны бурильных труб. Таким образом, пята турбобура воспринимает только часть осевой нагрузки на долото.

Величина гидравлической нагрузки на вал турбобура в зави­ симости от количества и свойств промывочной жидкости составляет 188]: для турбобуров диаметром 250 мм 9—23 тс, диаметром 210 мм 7—17 тс, диаметром 168 мм 2,3—8 тс.

При бурении электробуром осевая нагрузка на долото созда­ ется весом электробура G3 и весом нижней части колонны буриль­ ных труб GTp, находящейся в сжатом состоянии. Гидравлическая нагрузка на долото при этом практически отсутствует. Таким об­ разом, если подпятники турбобура при больших осевых нагрузках на долото разгружаются при действии гидравлического усилия Gr, то при электробурении вся осевая нагрузка на долото (за исклю­ чением веса шпинделя и долота) должна передаваться через под­ пятники шпинделя.

Необходимо отметить, что показания осевой нагрузки по инди­ катору веса, датчик которого установлен на неподвижном конце

значения осевых нагрузок на долото.

24

Фактически осевые нагрузки на долото значительно колеб­ лются, что обусловлено, с одной стороны, неравномерной подачей долота с поверхности, а с другой стороны, взаимодействием долота с забоем, в результате чего образуются вибрации бурильной ко­ лонны и колебания осевых нагрузок, распространяемых от долота вверх по колонне.

Неравномерность подачи долота обусловливается ручной его

может быть и при подаче долота с помощью автоматического ре­ гулятора.

Для определения величины колебания осевой нагрузки при руч­ ной подаче были проанализированы синхронные записи ваттметра, регистрирующего мощность, забираемую электробуром, и индика­ тора веса, установленного на неподвижном конце талевого каната. Измерения сделаны при бурении скв. 919 Восточно-Черновской площади в Куйбышевской области. Было рассмотрено несколько сотен циклов ручной подачи.

При сопоставлении изменений осевой нагрузки и соответствую­ щих этим изменениям значений мощности обращают на себя вни­ мание значительные колебания мощности при небольших измене­ ниях показаний индикатора веса.

Таблица 4

Величины мощности, вращающего момента и осевых нагрузок на долото

В табл. 4 для некоторого числа циклов ручной подачи долота при бурении в подольском горизонте приведены данные о величи­ нах мощности Nv и вращающего момента Л1Р на долоте, а также средние данные о величине вращающего момента Му, который

25

тору веса и датчику ВНИИБТ, установленным на неподвижном конце каната талевой системы, мощность Ар и момент Мѵ значи­ тельно изменяются.

Полагая, что порода не изменяется при каждом цикле ручной подачи долота, по величине отношения Л4Р/Л4У можно определить действительные значения осевой нагрузки, действующей ыа долото. Эти расчетные значения осевых нагрузок Gp a C 4 также приведены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, при колебаниях осевых нагрузок по ин­ дикатору веса от 29 до 31 тс вращающий момент в некоторых слу­ чаях может быть в пределах 93—242 кгс • м, а действительные осевые нагрузки при этом могут изменяться от 16,9 до 44 тс. Та­ ким образом, при незначительных колебаниях показаний индика­ тора веса действительная осевая нагрузка на долото может изме­ няться в значительных пределах, иногда превышая допустимые значения на долото.

Отсюда, с одной стороны, возникает требование к осуществле­ нию плавной подачи долота, в связи с чем исключаются перегрузка электробура и долота, заклинивание опоры долота и повышается продолжительность его работы, а следовательно, и производитель­ ность.

С другой стороны, возникает необходимость в повышении проч­ ности электробура, в частности подшипников шпинделя, и перегру­ зочной способности двигателя электробура.

При работе шарошечного долота по твердому забою возникают вибрации и соответствующие им динамические колебания осевой нагрузки и напряжений в различных участках низа бурильной колонны. Вопрос о вибрациях колонны и динамике осевой нагрузки в процессе бурения глубоких скважин изучен недостаточно. Име­ ется некоторый опыт проблемной лаборатории ВНИИБТ по буре­ нию на мантию земли, которой с помощью оригинального регист­ ратора были записаны осевые и крутильные колебания долота относительно керна, образованного колонковым долотом [67, 68]. В США также есть опыт по записи вибраций бурильной колонны автономным регистратором.

По замеру осевой нагрузки на забое имеются как теоретические работы [7], так и некоторый опыт [20].

При непосредственном участии автора — руководителя «лабо­ ратории технологии электробурения — в СКТБЭ проведены иссле­ дования динамики забойных осевых нагрузок и вибраций при бу­ рении электробуром. Для этой цели была создана телеметрическая система СТЭ-1И [83], с помощью которой можно получить данные о величине осевой нагрузки на забое и ее динамике, а также о ве­ личине амплитуды и частоте вибраций.

26

Система включает датчик осевой нагрузки, датчик вибраций, герметичный контейнер с электронным блоком, а также наземный пульт для приема и преобразования информации. Датчик осевой нагрузки основан на деформации суженного участка переводника, размещенного над электробуром; датчик вибраций основан на из­ мерении перемещений участка колонны над электробуром относи­ тельно сейсмической массы.

Наземными приборами записывались следующие данные.

2.Величина перемещений участка колонны над электробуром, на ленте осциллографа, движущейся со скоростью 0,25 м/с.

3.Величина мощности, забираемой электробуром, на ленте

осциллографа, движущейся со скоростью 0,25 м/с.

Осевые усилия, перемещения и мощность записывались на од­ ной ленте, что дает возможность проанализировать взаимосвязь изменений указанных параметров. Кроме того, обычными прибо­ рами записывались мощность, напряжение и ток в системе элект­ робура, а также нагрузка на крюке при скорости движения ленты 10 мм/мин.

Ниже приведены результаты исследований условий работы электробуров и комплектующего оборудования. Так как датчики осевых усилий и вибраций расположены непосредственно над электробуром, то можно считать, что измеренные усилия и вибра­ ции в верхней точке электробура относятся ко всему двигателю и также к части шпинделя, исключая вал шпинделя, который отделен от двигателя упругими элементами осевой опоры. Такое предполо­ жение необходимо сделать, поскольку источником возмущений яв­ ляется взаимодействие долота с забоем. Естественно, что ампли­ туда вибраций должна быть наибольшей у долота. В первую очередь вибрации гасятся в упругих подушках осевой опоры и за­ тем затухают по мере их распространения вверх, вдоль электро­ бура и колонны.

Вибрации и динамические нагрузки, измеряемые в верхней части электробура, достаточно полно характеризуют условия ра­ боты двигателя, статора, обмотки, ротора, подшипников, торцовых уплотнений и других элементов конструкции двигателя.

Для более полной оценки условий работы электробура необхо­ димо было провести исследования в породах различной крепости, с долотами разных типов, при различных скоростях вращения и осевых нагрузках, с различными компоновками низа колонны бу­ рильных труб и т. д. Исследования проводили при бурении в ан­ гидритах и средних породах свиты медистых песчаников (скв. 491 и 309) Шебелинского газового месторождения и при бурении турнейского горизонта (скв. 351) Сергеевской площади Уфимского УБР при скоростях вращения 165, 520 и 680 об/мин и осевых

27