Российский Государственный Университет НЕФТИ и

Российский Государственный Университет НЕФТИ и ГАЗА имени И. М. Губкина «ОЦЕНКА УМЕНЬШЕНИЯ СИЛ ТРЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ О СТЕНКИ СКВАЖИНЫ ПРИ ЕЕ ВРАЩЕНИИ» Презентацию подготовил: Ливанов Д. Д. научный руководитель: доцент, к. т. н. Балицкий В. П.

Рассмотрим случай, когда производится подъем колонны без вращения. В этом случае появляется сила трения, которая направлена вниз по оси скважины (против дв направления движения) иж ен ие где m Fрез - результирующая сила g∙c α os mg – вес колонны n α g ∙si α α – зенитный угол m Fр Fтр – сила трения ез k – коэффициент трения mg Fт скольжения р Результирующая сила при подъеме без вращения равна: Fрез = Fтр + mg∙cos α = k∙mg∙sin α + mg∙cos α = mg(k∙sin α + cos α ) 2

Подъем с вращением колонны Сила трения действует в направлении, противоположном направлению результирующего вектора скорости, и так же как и скорость может быть разложена на две составляющие. дв иж ен ие где Fтр =k ∙ N – сила трения, где ϑрез – результирующая ϑ F тр N – нормальная сила ос скорость ϕ Fтрос – осевая сила трения ϑк = ωR – касательная ϕ скорость ϑос – осевая скорость Fт ϑ рез р ос к ϑ Чем больше ϑк , тем больше угол ϕ и отклонение Fтр от оси, следовательно, меньше осевая сила трения, а значит легче поднимать колонну из скважины. 3

Найдем угол ϕ из прямоугольного треугольника с известными катетами скоростей F тр ϑ ос ϕ = arctg (ϑк /ϑос) = ϕ ϕ = arctg (ωR/ϑос) Где: F тр R – радиус БТ ос ω - угловая скорость к ϑ ϑос - скорость подъема колонны где тогда Fтр ос = Fтр ∙ cos ϕ ϕ = arctg (ωR/ϑос) При ω → ∞ Fтрос → 0 на прямолинейном наклонном участке 4

Результирующая сила при подъеме с вращением равна Fрез = Fтрос + mg∙cos α = Fтр ∙ cos ϕ + mg∙cos α = k ∙ mg∙sin α ∙ cos ϕ + mg∙cos α = = mg(k∙sin α ∙ cos ϕ + cos α ) где дв иж ϕ = arctg (ωR/ϑос) ен ие ϑ ос F тр ϕ Fт ϑ рез р ос m g∙c os α Fр к ϑ ез mg 5

Введем функцию W 1(n) как отношение результирующей силы при подъеме колонны с вращением к результирующей силе при подъеме без вращения W 1(n) = F’’/ F’ = mg(k∙sin α ∙ cos ϕ + cos α ) /mg(k∙sin α + cos α ) = = (k∙sin α ∙ cos ϕ + cos α ) /(k∙sin α + cos α) С помощью функции W 1(n) можно наглядно Где: увидеть как влияет вращение колонны в F’’ – результирующая сила с скважине на уменьшение силы трения вращением колонны F’ – результирующая сила без вращения α – зенитный угол k – коэф. трения ϕ = arctg (ωR/ϑос) ω = π ∙ n / 30 где n – частота вращения колонны 6

Спуск колонны с вращением Fрез = F’’ = mg∙cos α – Fтрос = mg∙cos α – Fтр∙cos ϕ = mg(cos α - k∙sin α∙cos ϕ) Fтр при cos ϕ = 1 колонна перестает вращаться Fт р ос ϑо с mg ∙co s α дв Fр иж ез ени ϑк е ϑрез mg Введем функцию W 2(n) как отношение результирующей силы без вращения к результирующей силе с вращением при спуске колонны в скважину W 2(n) = F’/ F’’ = (cos α - k∙sin α) / (cos α - k∙sin α ∙ cos ϕ) 7

1 Рассмотрим зависимости функций W 1(n) при подъеме и W 2(n) при спуске от частоты вращения при различных зенитных углах 0. 95 0. 9 0. 85 0. 8 W(n) 0. 75 α 60 30 0. 7 90 60 0. 65 30 0. 6 0. 55 *коэффициент трения = 0, 3 синим цветом показан спуск, красным – подъем 0. 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Частота вращения (об/мин) 8

*коэффициент трения = 0, 3 синим цветом показан спуск, красным – подъем 9

Предельные углы при спуске бур. колонны находятся из условия равновесия mg∙cos α = Fтрос mg∙cos α = Fтр∙cos ϕ 10

Рассмотрим участок набора кривизны где Pн αн ; αк - зенитные углы в начале и конце участка Rи - радиус искривления q - вес 1 метра бур. колонны α dl ; dα - длина и угол элементарного участка αк Pк ; Pн - осевое усилие в -P конце и начале участка P - касательная сила, действующая на эл. d. F Rи участок dl P N Pк q. Rи dα Определим усилие Pн , оно обусловлено силами трения и собственным весом на искривленном участке. Pн = Fтр + Qос = k |-2 q. Rи(cos αк – cos α) – Pк Δ α – q. Rиsin αк Δ α|∙ cos ϕ + |q. Rи(sin αк - sin α)| где Fтр – сила трения в искривленном участке Qос – осевая проекция веса бурильной колонны 11

1 Зависимости функций W 1(n) при подъеме и W 2(n) при спуске от частоты вращения в трехинтервальной скважине (с учетом УБТ) 0. 95 0. 9 α 30 W(n) 0. 85 60 90 30 60 0. 8 0. 75 *синим цветом показан спуск, красным – подъем 0. 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 число оборотов 12

105. 0 Предельные углы при спуске колонны 3 -х интервальной скважине в зависимости от частоты вращения при глубине вертикального участка 500 м и 0 м (отсутствие участка) 100. 0 95. 0 Зенитный угол 90. 0 l 3 = 500 м l 3 = 0 м 85. 0 80. 0 75. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Частота вращения (об/мин) 13

1000000 Нагрузка на крюке при подъеме и спуске бурильный колонны в 900000 зависимости от ее частоты вращения при зенитном угле конечного участка α = 30° и 60° 800000 700000 нагрузка на крюке 600000 500000 α 60 400000 300000 200000 100000 *пунктирная линия – спуск сплошная – подъем 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Частота вращения (об/мин) Разница нагрузки при подъеме Информация по скважине: без вращения и с вращением: Длинна вертикального участка l 3 = 500 м Радиус искривления Rи = 400 м • при зенитном угле α = 30 ° 8, 8 т Длина прямолинейного наклонного участка l 1 = 1800 м • при зенитном угле α = 60 ° 14, 8 т

Вывод: 1. Спуск/подъем и бурение с вращением бурильной колонны существенно уменьшает силу трения о стенки скважины. 2. Это позволяет применять БУ меньшей мощности, а значит меньшей стоимости. 3. Расчеты показывают, что нагрузка на крюке при подъеме с вращением может уменьшаться до 25% 4. Вычислено влияние частоты вращения бурильной колонны при конкретном профиле скважины на предельный угол заключительного прямолинейного наклонного участка. 15

Спасибо за внимание!