книги / Основы механики глубокого бурения

Б.БУРЕНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Внастоящее время применяются три вида забойных двигате­ лей - турбобур, винтовой двигатель и электробур [1].

Турбобур - гидравлический забойный двигатель, представ­ ляющий собой гидравлическую турбину, к валу которой присое­ диняется долото. Поток промывочной жидкости, попадая на ло­ патки турбины, вращает вал вместе с долотом, которое и разру­ шает породу на забое скважины. Выбуренные частицы затем вы­ носятся потоком жидкости в затрубное пространство и далее в систему очистки 15 (рис. 1.1).

Винтовой забойный двигатель - гидравлический двигатель,

рабочим органом которого является винтовая пара: статор п ро­ тор, к которому присоединено буровое долото. Ротор относи­ тельно статора расположен эксцентрично. Подобранное соответ­ ствующим образом кинематическое соотношение винтовой пары и применение надлежащего профилирования её зубьев обеспечи­ вают при движении промывочной жидкости обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта пары по всей её длине. Вращение от ротора передаётся на доло­ то, разрушающее породу.

Электробур - забойный двигатель, состоящий из электродви­ гателя, шпинделя, к которому крепится долото, и системы защи­ ты от проникновения в механизм промывочной жидкости. Элек­ троэнергия подводится к двигателю по кабелю, смонтированному внутри БК.

При бурении с применением забойных двигателей БК, в от­ личие от роторного способа, остаётся неподвижной, что облегча­ ет условия её работы с точки зрения силовых нагрузок, а потому БТ могут быть изготовлены из менее стойких в отношении на­ грузок материалов.

На рис. 1.5 изображена схема установки для бурения скважин вращательным способом с применением забойных двигателей [1]. При бурении скважины с применением забойного двигателя до­ лото 1 привинчивается к валу, а бурильная колонна - к корпусу двигателя. В процессе бурения вращается вал двигателя с при­ соединённым к нему долотом, а БК, как правило, ротором во вращение не приводится. Если же на приведенной схеме вместо забойного двигателя поместить УБТ и придать вращение бу­ рильной колонне ротором, то рис. 1.5 представит собой и схему роторного способа, описанного выше (см. рис. 1.1). Добавим только следующее: обычно верхние участки разреза скважины сложены породами, легко размывающимися циркулирующим буровым раствором. Поэтому вначале сооружают шурф до устой-

12

Лекция 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ МЕХАНИКИ СТЕРЖНЕЙ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

Прежде чем переходить к изложению дальнейшего материала, заметим, что любое исследование в области технических наук - будь то, например, расчет наиболее выгодных режимов работы уже известных конструкций или же выявление особенностей по­ ведения вновь создаваемой механической системы - состоит из следующих трех ступеней:

1.Идеализация объекта. На этой ступени в рассматриваемой механической системе выявляются особенности, наиболее суще­ ственно влияющие на тот конечный процесс, который должен реализоваться данной системой согласно замыслу конструктора. Отбрасывая «несущественные особенности», мы приходим к рас­ четной схеме.

2.Анализ расчетной схемы. На этой ступени посредством теоретических расчетов выявляются те соотношения между ос­ новными параметрами механической системы, при выполнении которых данная система будет наиболее удовлетворять заложен­ ным в неё требованиям.

3.Переход от расчетной схемы к реальной конструкции с учетом тех практических рекомендаций, ради которых и было проведено исследование. На этой ступени изготовленная с уче­ том рекомендаций конструкция подвергается эксперименту, по­ средством чего уточняются соотношения между её основными расчетными параметрами, поскольку нюансы, не учтенные в рас­ четной схеме, в определенной мере влияют на расчетные соот­ ношения, заложенные в изготовленной конструкции.

Конечно, чем точнее расчетная схема соответствует реальной конструкции, тем меньшее влияние будут оказывать неучтенные факторы. Однако при создании расчетных схем сложных техни­ ческих конструкций довольно часто возникают весьма трудные математические задачи, которые не дают возможности получить аналитические решения, представляющие в явном виде взаимо­ связь между параметрами исследуемого процесса. В таких случа­ ях обычно прибегают к помощи ЭВМ. Тем не менее этот способ анализа не всегда позволяет получить всю информацию о пове­

15

дении изучаемого механизма. В то же самое время, если удаётся разработать математическую модель анализируемого объекта, допускающую получение конечного результата в виде аналитиче­ ских зависимостей, ценность такого исследования резко возрас­ тает, поскольку в данном случае появляется возможность непо­ средственно «увидеть» влияние интересующих нас параметров на поведение изучаемой механической системы.

В свете отмеченного представляется целесообразным в первую очередь подвергнуть исследованию простейшую компоновку бу­ рильной колонны - однородную бурильную колонну. В этом случае она может быть принята эквивалентной однородному прямолинейному стержню с неизменными по его длине характе­ ристиками материала (плотность, упругие свойства) и постоян­ ным по площади поперечным сечением. Такой подход позволяет получить необходимые соотношения между параметрами, харак­ теризующими БК (механические свойства материала колонны, её геометрические размеры), и параметрами, характеризующими процесс углубления скважины (осевая нагрузка, скорость враще­ ния породоразрушающего инструмента), в наиболее простых формах, но без искажения сущности исследуемых явлений. Это важно как для первоначального ознакомления с рассматривае­ мыми ниже проблемами, так и для развития интуиции исследо­ вателя в условиях малого объёма экспериментальной информа­ ции. Более того, приёмы и методы исследования процесса углуб­ ления забоя в случае более сложных компоновок БК имеют тот же самый «идеологический» фундамент, что и в простейшем случае конструкции БК, эквивалентной однородному стержню.

Бурильная колонна с точки зрения механических объектов относится к стержням весьма большой протяженности и малого поперечного размера, с круговым поперечным сечением. Поэтому для разработки математической модели углубления забоя сква­ жины с учетом бурильной колонны, расположенной между ис­ точником энергии (дневная поверхность) и породоразрушающим инструментом (забой скважины), необходимо рассмотреть неко­ торые положения механики стержневых систем.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОСЕВЫМИ УСИЛИЯМИ И ДЕФОРМАЦИЯМИ В СЛУЧАЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО СТЕРЖНЯ

Описание процессов в стержне при воздействии на него сило­ вых факторов зиждется на экспериментальных законах. Одна из основных зависимостей - экспериментальная диаграмма «напря-

16

Тогда согласно закону Гука нормальное напряжение в этом сечении

(2.3)

а нормальное усилие N(x), равное произведению напряжения а и

Итак, соотношения (2.2)-(2.4) дают взаимосвязь осевых сило­ вых факторов и продольных деформаций стержня.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ КРУТЯЩИМИ УСИЛИЯМИ И УГЛОВЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ

В ПРЯМОЛИНЕЙНОМ СТЕРЖНЕ

Рассмотрим теперь механику кручения стержня На рис. 2.5 показан элемент стержня длиной Ах при нагружении стержня в общем случае переменным по координате х крутящим моментом М(х). Стержень имеет круговое поперечное сечение с внешним диаметром D и внутренним диаметром d. Схема нагружения стержня крутящим моментом и размеры малого элемента пока­ заны на рис. 2.5, поз. 1. Необходимо отметить, что при кручении стержня с круглым поперечным сечением его сечение остается плоским (что неверно для сечения произвольной формы). В рас­ сматриваемом случае применима гипотеза плоских сечений [2]. Согласно гипотезе в поперечных сечениях стержня возникают только касательные напряжения т (см. рис. 2.5, поз. 2). Выделим на расстоянии г от оси цилиндра элементарный цилиндр с малой толщиной стенки Аг. Пусть верхнее сечение элемента поверну­ лось на угол (р(х) относительно ненагруженного состояния, ниж­ нее сечение - на угол ф(* + Дх) (рис. 2.5, поз. 2). Тогда обра­ зующая элементарного цилиндра перейдет из вертикального по­ ложения в наклонное, образовав между старым положением и новым малый угол 0 (напомним, что для малых углов справед­ ливо приближенное равенство tg 0 = 0 ), и на каждой элементар­ ной площадке будет действовать только касательное напряжение т, то есть имеется случай чистого сдвига. Обозначим разность углов поворотов нижнего и верхнего сечений выделенного эле­ мента через Д(р:

Дф = ф(* + Ах) - ф(*).

20