Главная » Файлы » Буровое оборудование » Буровые долота / Drill bits

ВИБРАЦИИ И МЕРЫ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ
[ Скачать с сервера (2.11 Mb) ] 19.04.2017, 00:21

 

Mather & Lockley
ВИБРАЦИИИМЕРЫ
ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ
March 2002 -Confidential- Page 1 of 23
Mather & Lockley
Содержание
Общие понятия.................................................................................................................3
Как снизить вибрации?..................................................................................................5
Динамика процесса..........................................................................................................7
Примеры..........................................................................................................................12
Приложения....................................................................................................................18
Определение типа вибрации по характеру износа долота.....................................21
March 2002 -Confidential- Page 2 of 23
Mather & Lockley
Общие понятия
Почему это важно?
33 ДНЯ
ЭКОНОМИИ
ДНИ
Осуществление измерений в
процессе бурения и прави
интерпретация повышает шанс
безаварийной работы забойного
оборудования.
льная их
Во многих случаях правильное
использование измерений в процессе
бурения позволяет существенно
снизить время на строительство
скважины. Справа на графике
приведен пример.
March 2002 -Confidential- Page 3 of 23
Mather & Lockley
Измерения забойных условий
Существует несколько типов вибраций,
которые могут возникать на забое, и мы
должны знать о каждом из них:
- Неравномерное вращение или
«Эффект пружины» (НВ)
- Крутильные колебания
- Осевые вибрации
- Поперечные вибрации
- Эксцентричное вращение (ЭВ) долота
- Эксцентричное вращение (ЭВ) КНБК
Акселерометр с одной измерительной осью
встроен в MWD/LWD оборудование с целью
идентифицировать поперечные вибрации.
Этот датчик отмечает также осевые и
крутильные вибрации учитывая
взаимодействие видов колебаний.
Понятие «вибрации» для наглядности определяется следующими показателями:
Величина: Это противодействие, которое испытывает оборудование при
взаимодейсвтии со скважиной. (G). При падении оборудования под действием
собственной тяжести прибор эта величина составит 1G.
Длительность: продолжительность возмущения (почти не используется).
Частота: Количество пиковых значений величины превышающих пороговое
значение. Единицы измерения – 1/сек.
В комплексе с измерениями вибрации, использование таких надежных параметров
как кавернометрия, нагрузка на долото, момент и частота вращения, позволяет
составить более полное представление о
процессах происходящих на забое.
Измерения на устье
Большой объём информации может быть
получен по средствам анализа результатов
измерений производимых на устье скважины
(момент на роторе, число оборотов ротора, вес
на крюке, нагрузка на долото и давление).
Выведенные на экран результаты забойных и
устьевых измерений предоставляют нам
отличный инструмент контроля
March 2002 -Confidential- Page 4 of 23
Mather & Lockley
Как снизить вибрации?
Рабочие параметры
Принято считать что стабильность и
вибрации соотносятся так показано на
диаграмме (Красный цвет – наличие
вибраций, зеленый - стабильность).
Как видно из диаграммы три основных вида
вибрации зависят числа оборотов и нагрузки
на долото.
Диаграмма создана на импирической
основе.
- Неравномерное вращение («Эффект пружины»)
Возникает при высокой нагрузке в сочетании с низким числом оборотов.
- Прямое эксцентричное вращение КНБК
Увеличение нагрузки на долото позволит снизить вибрации.
- Обратное эксцентричное вращение КНБК
Уменьшение нагрузки на долото и числа оборотов нейтрализует вибрации данного
типа.
В идеале эти изменения числа оборотов и
нагрузки на долото без прервания
долбления должны снизить вибрации и
позволить избежать простоев, но
существует множество примеров когда
изменение числа оборотов без остановки
бурения приводило к еще большим
вибрациям.
Как видно из экспериментальных данных
(график слева), при снижении оборотов
(синий) вибрации (зеленый и красный)
многократно увеличиваются.
В некоторых твердых и абразивных
породах, невозможно за счет изменения
числа оборотов полностью избавиться
от вибраций. Выход в этом случае –
снизить обороты до минимально
возможных, а снизившуюся МСП
компенсировать увеличением
нагрузки. МСП в любом случае будет
ниже. Но если есть риск СПО или
ловильных работ, то это того стоит.
Рекомендация в таком
случае: ОСТАНОВИТЬ
БУРЕНИЕ.
Оторвать долото от забоя и
прекратить вращение,
расхаживанием снизить
энергию накопившуюся в
КНБК. Возобновить
бурение с измененными
параметрами.
March 2002 -Confidential- Page 5 of 23
Mather & Lockley
Оборудование
- КНБК
В некоторых случаях КНБК может провоцировать
вибрации.
На рисунке справа показана 2 типа КНБК. Верхняя
КНБК имеет посередине, между двумя полнораз-
мерными центраторами, неполноразмерный.
Эта верхняя КНБК будет испытывать большее
число ударов, т.к. точка контакта (неполноразмерный центратор) имеет меньшее
расстояние для движения перед тем как произойдет удар, по сравнению с нижней
КНБК. Тем не менее, из-за меньшего расстояния величина взаимодействия для
верхней КНБК вероятно будет ниже чем для нижней.
По сути гибкость – это то, что способствует возникновению вибраций, и чем
больше расстояние между центраторами, тем более КНБК склонна к вибрациям.
Поэтому компоновки для направленного бурения наиболее подвержены
поперечным вибрациям.
- Амортизаторы
Иногда, забойные переводники призваны гасить часть нежелательных осевых
вибраций. В их состав входят пружины, и они действуют как автомобильные
амортизаторы снижая осевой резонанс. Они призваны смягчать осевые вибрации
возникающие при бурении и бесполезны при вибрациях других типов.
- Винтовой забойный двигатель
Стандартный гидравлический двигатель также способен гасить вибрация
возникающие из-за долота, не позволяя им передаваться на КНБК (и следовательно
на датчики вибраций).
Важно помнить что даже после того как признаки неравномерного вращения не
определяются датчиками момента на поверхности (STOR), эффект всё ещё
может оказывать влияние на работу долота и КНБК.
March 2002 -Confidential- Page 6 of 23
Mather & Lockley
Динамика процесса
Неравномерное вращение (НВ) или «Эффект пружины»
Механизм
Периодическое замедление и ускорение скорости вращения
инструмента. В некоторых случаях возможно даже обратное
вращение.
Причиной возникновения этого эффекта может служить трение
между породой и долотом (а также КНБК). При этом скорость
вращения долота может превышать допустимые значения.
Эффект
Подобное воздействие приводит к усталостному износу БК и
преждевренменному выходу из строя долота. При обратном
вращении урезцов PDC происходит слом по соединению.
Идентификация
Значительные изменения скорости вращения на устье (зависит от
системы контроля верхнего привода)
Большие перепады момента на устье (обратите внимание на график)
«Неровный» звук на устье
Показания датчиков
Противодействие
Программирование телесистемы на определение данного типа вибраций
Увеличить обороты
Уменьшить нагрузку
По возможности увеличить смазывающие св-ва ПЖ
March 2002 -Confidential- Page 7 of 23
Mather & Lockley
Эксцентричное вращение (ЭВ) КНБК
Механизм
Эксцентричное вращение КНБК вдоль стенок скважины. Бывает как
прямое, так и обратное.
Эффект
Усталостный износ соединений, и как следствие риск отворота,
потери инструмента.
Идентификация
Увеличение момента на устье (без видимых на то причин)
Сильный поперечные вибрации в зоне КНБК
Увеличенный диаметр скважины
Прямое вращение износом инструмента с одной стороны
Противодействие
ОСТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ!
Снизить нагрузку и обороты
или
увеличить нагрузку
(в зависимости от типа)
ОCТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ!
Оторвать долото от забоя и
прекратить вращение,
наихудший вариант в такой
ситуации просто снизить
обороты, из примера видно
что вибрации при этом
увеличились многократно.
March 2002 -Confidential- Page 8 of 23
Mather & Lockley
Осевые вибрации
Механизм
Осевое резонирующее действие.
Долото, тем не менее, при этом находится в постоянном контакте с
забоем.
Типично для шарошечных долот.
Эффект
Снижается МСП, ломаются зубцы (резцы), выходит из строя
забойное оборудование.
Разгерметизация и повреждение опор.
Идентификация
Могут наблюдаться вибрации на устье.
Противодействие
ОСТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ!
Изменить рабочие параметры.
Использовать амортизаторы.
March 2002 -Confidential- Page 9 of 23
Mather & Lockley
Крутильные колебания
Механизм
Мгновенные импульсы возникают когда свободно
вращающаяся КНБК ударяется о стенку скважины
и вращение замедляется.
Эффект
Повреждение соединений
Повреждение элементов БК
Идентификация
Скачки момента
Поврежденные соединения
Противодействие
Использовать концентричное оборудование
ОСТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ!
Изменить обороты
Развальцовка
соединения
March 2002 -Confidential- Page 10 of 23
Mather & Lockley
Эксцентричное вращение (ЭВ) долота След центра долота
Механизм
Эксцентричное вращение долота вокруг точки
отличной от его геометрического центра.
Эффект
Снижение МСП
Преждевременный износ долота
Износ долота по диаметру
Идентификация
Незначительное увеличение диаметра скважины
(каверномер)
Долото изношено по диаметру
4-х лопастное
долото создаёт
«пятиконечное»
сечение скважины
Противодействие
ОСТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ
Возобновить бурение с вдвое меньшей
скоростью вращения, затем медленно
увеличить нагрузку, после чего увеличить
обороты до нормальных
Использование сбалансированных от вибраций долот:
- Снижена агрессивность калибрующей части долота
- Предотвращается увеличение диаметра скважины
Долото сбалансированное от
вибраций не имеет с одной своей
стороны режущей структуры, вместо
которой у долота гладкая
поверхность по форме близкая к
форме забоя. Центр тяжести долота
смещен в сторону этой части, т.о. при
вращении долото постоянно
взаимодействует со стенкой
скважины своей неагрессивной
(гладкой) стороной, и как следствие
отсутствует потенциал к
возникновению вибраций данного
типа.
March 2002 -Confidential- Page 11 of 23
Mather & Lockley
Пример 1: Взаимосвязь между показаниями
датчиков вибраций и состоянем долота
Два долбления в одном и том же интервале.
G382DK
КОД ИЗНОСА – Д.1
1 1 CT S XIN NO
BHA
MRS 74 PX
КОД ИЗНОСА – Д.2
1 1 ER N X IN NO TD
ВЫВОД: - Всегда быть внимательным к
характеру износа. Код CT значит скол зуба,
он относится к 1му долблению. При 2м
долблении датчики не идентифицировали
вибраций 1 1 ER N X IN NO TD (на этот раз
причина в эрозии)
Еслирежущаяструктура
сосколами/сломами,
тогданавернякапричина
износаввибрациях
Дол.1
Дол.2
March 2002 -Confidential- Page 12 of 23
Mather & Lockley
Пример 2: Отворот КНБК из-за вибраций
Момент на устье соответсвует показаниям вибр.
Отворот КНБК
Вывод: - Момент на устье
соответствует показаням датчиков
вибраций, что предполагает наличие
ЭВ КНБК, при котором риск отворотов
очень велик.
Отворот может
произойти до
поломки
MWD/LWD
March 2002 -Confidential- Page 13 of 23
Mather & Lockley
Пример 3: Снижение поперечных вибраций
варированием нагрузки
March 2002 -Confidential- Page 14 of 23
Mather & Lockley
Пример 4: При попытке снижения вибрации было
спровоцировано неравномерное вращение
СНИЖЕНИЕ ОБОРОТОВ ПОЗВОЛИЛО СНИЗИТЬ ВИБРАЦИИ, НО
СПРОВОЦИРОВАЛО НЕРАВНОМЕРНОЕ ВРАЩЕНИЕ
Вывод: - Снижая обороты мы избавляемся от поперечных
вибраций, но провоцируем неравномерное вращение
Вероятно оптимальной
скоростью вращения станет
средняя между двумя
приведенными в примере
March 2002 -Confidential- Page 15 of 23
Mather & Lockley
Пример 5: Определение причины
спровоцировавшей неравномерное вращение
Вывод: - Столкнувшись с неравномерным вращением мы можем просто определить что (долото или
КНБК) его спровоцировало. Сохраняя обороты приподнять долото над забоем. В данном случае
показания говорят о том, что эффект прекратился, следовательно он был вызван долотом.
Неравн-е вращ. Неравн-е вращ.
Над забоем - вибрацй нет
Если нам известна причина
проблемы мы можем принять
меры по предупреждению. В
данном случае дело в
агрессивности долота.
March 2002 -Confidential- Page 16 of 23
Mather & Lockley
Пример 6: Снижение экксцентричного вращения
КНБК
Не достаточн.
время над заб.
– вибрации
возобнов-сь
Более
продолжит-ное
время над заб.
– вибрации
прекратились
Не достаточн.
время над заб.
– вибрации
возобнов-сь
Вывод: - Чтобы снизить вибрации
неодбходимо поднять долото над забоем и,
по возможности, остановить вращение.
После чего дать БК время на то, чтобы
«высвободить» накопившуюся энегию. Как
видно из примера, дважды, из-за того, что
не было выждано достаточно времени,
вибрации возобновлялись. В третий раз,
увеличив время над забоем, удалось
ликвидировать вибрации.
Поперечные и
крутильные
колебания снизились
после достаточного
времени пребывания
долота над забоем.
March 2002 -Confidential- Page 17 of 23
Mather & Lockley
Приложение 1: Как долото провоцирует
неравномерное вращение?
Угол наклона резцов
- Чем меньше угол наклона резцов (α), тем больше глубина их
внедрения.
- Угол наклона резцов может варьироваться между 15º и 45º.
- Как видно на рисунке угол α меньше угла β следовательно
первый резец более агрессивен, создаёт больший
реактивный момент и как следствие потенциал к
неравномерному вращению.
- При малом угле наклона резцов, горизонтальная
состовляющая результирующей силы больше вертикальной.
Велика вероятность возникновения неравномерного
вращения.
- При малом угле наклона резцов, горизонтальная
состовляющая результирующей силы меньше вертикальной.
вероятность возникновения неравномерного вращения
снижается.
Размер резцов и их количество (плотность)
- Большие (следовательно в меньшем количестве) резцы
использующиеся в более мягких породах, создают большой
момент из-за глубокого внедрения в породу. Как следствие
потенциал к неравномерному вращению.
- При большем количестве резцов, в твердых породах, при
такой же нагрузке на долото, глубина внедрения каждого из
резцов в породу меньше, что значит: меньшие момент и
потенциал к неравномерному вращению.
Нагрузка на долото
Чем больше нагрузка на долото, тем больше вертикальная
и горизонтальная составляющие результирующей силы и
следовательно риск возникновения вибраций.
Меры по предотвращению
- Снизить нагрузку на долото
- Увеличить обороты
March 2002 -Confidential- Page 18 of 23
Mather & Lockley
Приложение 2: Типы вибраций и меры по
противодействию им
Тип вибрации
Определение
в реальном
времени
Условия
возникновения
Противо-
действие Альтернатива
Неравномерное
вращение
Возрастание
момента и
непостоянная
скорость
вращения
Агрессивные
долота PDC,
сильное трение
между породой
и КНБК
STOP –
Снизить
нагрузку
и(или)
увеличить
обороты
Увеличить
смазывающую
способность
ПЖ, исполь-ть
менее
агрессивное
долото
Эксцентричное
вращение
КНБК
Сильные
вибрации на
забое,
возрастание
момента
Каверно-
образование.
Гибкая или
нестабилизи-
рованная КНБК
STOP –
Изменить
нагрузку и
обороты
Использовать
жесткую КНБК
Осевые
вибрации
Вибрации на
устье
Твердые
породы,
вертикальные
скважины,
шарошечные
долота
STOP –
Изменить
нагрузку и
обороты
Использовать
менее
агрессивное
долото и(или)
амортизатор
Эксцентричное
вращение
долота
Каверномер
показывает
увеличенный
диаметр
скважины, но
долото
изношено по
диаметру
Долото с
агрессивной
калибрующей
частью
STOP –
Снизить
обороты и
увеличить
нагрузку
Изменить тип
долота,
ипользовать
полноразмерный
наддолоттный
калибратор
March 2002 -Confidential- Page 19 of 23
Mather & Lockley
Приложение 3: О чем говорит характер износа
долот PDC?
Несмотря на невозможность использования этого
метода для идентификации вибраций в режиме
реального времени, характер износа долота PDC в
последствии позволяет подтвердить тот факт, что
вибрации действительно имели место, и кроме
того опрелилить тип этих вибраций.
Если в процессе бурения долото PDC не
испытывает вибраций, в большинстве случаев
вооружение будет подвергаться абразивному
износу от взаимодействия с породой.
При возникновении вибраций долото перестаёт вырабатывать ровную круглую в
сечении скважину, что приводит к быстрому не нормальному износу резцов. Чаще
вмего это приводит к сколам и сломам резцов (коды износа IADC BT и CT).
Сколы зубцов выражаются в повреждении алмазного слоя, тогда как при сломах
повреждению также подвергается карбидвольфрамовая часть резцов.
Скол резцов (СТ) Слом резцов (ВТ)
March 2002 -Confidential- Page 20 of 23
Mather & Lockley
Определение типа вибрации по характеру износа долота
Если уделить достаточно времени и внимания осмотру отработанного долота,
зачастую становится очевидно имели ли место вибрации и если да, то какого
конкретно типа.
Неравномерное вращение
Ввиду природы этого типа вибраций, при
котором происходят периодически
остановки, а затем резкие ускорения
вращения, резцы PDC подвергаются
значительным перепадам температур.
Как следствие признаком данного типа
вибраций являются последствия перегрева
резцов, при чем наружные резцы
подвергаются значительно большему
повеждению из-за большей линейной
скорости в этой области. Также, при
бурении интервалов, представленных
абразивными породами, периферийные
резцы подвегаются существенно большему
износу.
Типичный пример НВ.
Внутренние ряды резцов
практически не
изношены при
значительном износе
внешних. Также заметны
следы перегрева.
Единственное исключение относится к долотам
большого диаметра (обычно > 380 мм), у
которых износ сосредоточен в центре, и в
достаточно абразивных породах долото часто
поднимают со значительно истертой
центральной частью.
March 2002 -Confidential- Page 21 of 23
Mather & Lockley
Эксцентричное вращение
Этот тип вибраций является наиболее опасным с точки
зрения повреждения долот PDC из-за того, что резцы
подвергаются многократным ударным нагрузкам. Для
случая приведенного справа на рисунке (5 лопастей)
видно, что если долото вращается со скоростью 100
оборотов в минуту, то оно испытывает 600 ударных
импульсов в минуту.
Как следствие «слом зуба» (код IADC – BT) – наиболее
характерный износ долота подвергавшемуся этому
типы вибраций, при чем основной износ как правило
приходится на плечо, калибрующую и наружную
конусную поверхности (см. рисунок ниже)
Число вершин
сечения = кол-
во лопастей + 1
March 2002 -Confidential- Page 22 of 23
Mather & Lockley
Имевшее место обратное эксцентричное вращение
можно определить уделив достаточное время деталям.
Если долото имеет вторичный ряд режущей структуры
либо твердосплавные вставки (“Hybrid”) позади
основного ряда резцов PDC, то в случае эксцентричного
вращения долота на забое вторичное вооружение будет
изношиваться значительно сильнее основного.
Классический пример
обратного ЭВ. Твердо-
сплавные вставки
расположенные за
резцами PDC,
изношены сильнее
самих резцов.
При использовании долот имеющих
вспомогательные лопасти, например долот
серии “Transformation” компании Reed
Hycalog, возниконовение обратного
эксцентричного вращения может привести к
слому вторичных лопастей и как следствие
преждевременному выходу долота из строя.
Причиной этому служат два фактора, во-
первых, эти лопасти спроектированы для того
чтобы проивостоять нагрузкам возникающим
при срезании породы резцами (а не от
воздействия с обратной стороны, как
происходит при эксцентричном вращении),
во-вторых лопасти подвергаются большим
нагрузкам из-за разницы в инерции вызванной
вращением вокруг асимметрично
расположенной лопасти.
Слом лопастей был
вызван обратным
эксцентричным
вращением.
March 2002 -Confidential- Page 23 of 23
 

Категория: Буровые долота / Drill bits | Добавил: Joni | Теги: Mather, вращение, Lockley, вибраций, КНБК, долото, Вибрации, March, Долота, Confidential
Просмотров: 684 | Загрузок: 42 | Рейтинг: 0.0/0
Похожие материалы
Всего комментариев: 0
avatar
Investigationes
CHARLES S. ANDREWS
3139 Brownton Road
Long Community, MS 38915



+7 986 9750184 102-Rus@mail.ru
Mirum
sample map