щ
s,
'|1 инструмент и оборудова
Анализ влияния вибрации на самопроизвольный отворот элементов раздвижного фрезерного инструмента и раздвижного инструмента
для расширения ствола скважин
А.А. ДРОНОВ,
инженер-конструктор
ООО НПП «БУРИНТЕХ»
А.А. САЛОМАТИН,
главный конструктор
ООО НПП «БУРИНТЕХ»
saa@burinteh.com
Рассмотрено воздействие возникающих при эксплуатации вибраций на раздвижные фрезер и расширитель.
Приведен анализ влияния вибрационных нагрузок на самопроизвольный отворот элементов инструмента.
БУРИНТЕХ
THE ANALYSIS OF VIBRATION EFFECTS ON SPONTANEOUS TURN OF ELEMENTS OF THE SLIDING MILLING TOOL AND SLIDING THE TOOL FOR ExPANDING THE wELLBORE
A. DRONOV, A. SALOMATIN, «BURINTEKH», Ltd
Considers the impact arising from the operation of vibration at sliding the router and the extender. The analysis of the effect of vibration loads on spontaneous turn of elements of the instrument.
Keywords: «BURINTEKH», Ltd spontaneous turn of elements of the sliding of the tools, the vibration effect on reducing the magnitude of the friction force in the threaded connection
Современные тенденции в нефтегазовой отрасли, как и в промышленности в целом, вынуждают компании применять новые технологии для снижения себестоимости. В нефтегазовой отрасли это современные технологии по интенсификации добычи при эксплуатации старого скважинного фонда и последние разработки в сфере строительства новых скважин. Одним из методов интенсификации добычи является бурение бокового ствола скважины. Для данной операции применяется раздвижной фрезер. При строительстве скважины зачастую необходимо получение интервалов, диаметр которых больше, чем основной диаметр ствола скважины. В таких случаях целесообразно использовать раздвижные расширители. И раздвижной фрезер, и раздвижной расширитель могут применяться для проведения ремонтно-изоляци-онных работ. От надежности инструментов во многом зависит целесообразность производимых работ с экономической точки зрения.
Проблеме надежности работы указанного выше оборудования уделяется много внимания, что ведет к улучшению эксплуатационно-технических характеристик представленных на рынке решений [1]. По данным промысловой статистики компа-
нии ООО НПП «БУРИНТЕХ», за последние 8 лет количество операций расширения и фрезерования раздвижным инструментом увеличилось на 314%. Несмотря на значительный прирост числа операций, аварийность инструмента удается постоянно снижать. Это в первую очередь обусловлено анализом накопленных результатов промысловых отработок и применением на их основании новых решений, а также оптимизацией режимов эксплуатации.
Анализируя опыт отработки данных типов оборудования, можно выделить основные аварийные ситуации, связанные с работой инструмента. Для расширителей и фрезеров раздвижных, в зависимости от условий эксплуатации, существует ряд характерных отказов, однако общими для всех типов инструмента являются [2]:
- слом рабочих лопастей;
- срез элементов, фиксирующих рабочие лопасти;
- отворот элементов, фиксирующих рабочие лопасти;
- отказ механизма выдвижения рабочих лопастей;
- отворот оборудования, установленного ниже корпуса расширителя или фрезера раздвижного;
- размыв корпусных деталей.
у
4-»
& О- 1
/ р
р н
Рис. 1. Силы взаимодействия между ниппелем и муфтой
Рг - движущая окружная сила; Р - осевая сила на винте; у - угол подъема винтовой линии резьбы; ф - угол трения; d2 - средний диаметр резьбы;
Р- шаг резьбы
Среди всех представленных отказов в отечественной и зарубежной литературе меньше всего внимания уделяется проблеме самопроизвольного отворота нижнего центратора. Компании, занимающиеся производством оборудования данных типов, решают данную проблему по-разному. Однако пока не выявлены основные причины отворота элементов оборудования. К тому же способы фиксации резьбового соединения элементов не отличаются таким разнообразием, как конструкции рабочих элементов и механизмов активации, более того, в некоторых случаях данная проблема не решается вовсе.
Авторами статьи рассматривается работа раздвижного фрезера и раздвижного расширителя с точки зрения воздействия на них возникающих в процессе работы вибраций. На основании этого анализируется влияние вибрационных нагрузок на самопроизвольный отворот элементов инструмента.
Геометрические характеристики резьбы и силы, действующие в резьбовом соединении, представлены на рис. 1.
Для начала необходимо установить силы, препятствующие отвороту резьбового соединения. Согласно формулам [3], момент, необходимый для отворота резьбового соединения:
Т = Т+Т, (1)
отв р т' ^ '
где Тотв - момент, действующий на отворот соединения;
Тр - момент трения в витках резьбы;
Тт - момент трения на торце.
- - р.[у= - ^ - (2)
где П" - коэффициент трения на торце резьбы; dср - средний диаметр кольца контакта торцов ниппеля и муфты.
Как известно, затяжка резьбового соединения производится согласно ГОСТ28487-90. На основании этого можно определить усилие от предварительной затяжки, действующее в резьбе:
(3)
Аналогичное усилие в соединении действует и при отвороте резьбового соединения. Основываясь на данном суждении, можно определить момент отворота:
(4)
Как видно, основными факторами, влияющими на усилие, необходимое для отворота резьбового соединения, являются момент предварительной затяжки и сила трения в витках и на торце резьбы. Момент предварительной затяжки для резьб, используемых в рассматриваемом инструменте, должен контролироваться и находиться в пределах, указанных в ГОСТ 28487-90. Очевидно, что снижение момента отворота соединения напрямую связано с изменением силы трения в витках резьбы и на торце.
Вибрационные нагрузки снижают величину силы трения в резьбовом соединении, а следовательно, и момента, необходимого для отворота резьбового соединения.
В статье [4] рассматривается влияние вибрации на коэффициент трения и показывается, что основной причиной снижения коэффициента трения являются продольные вибрации. Условие отсутствия проскальзывания тела:
2П»|Ъв(е - М + Л1
4
> тАы'.
(5)
где т - масса центратора; А - амплитуда колебаний; ю - частота колебаний.
Проанализируем процессы фрезерования и расширения для понимания значимости влияния вибрации.
ФРЕЗЕРОВАНИЕ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
Вибрации в процессе работы раздвижным фрезером возникают из-за фрезерования металла при контакте «резец-металл» и из-за невозможности обеспечения «идеальной» центрации в обсадной колонне. Для анализа процесса самопроизвольного отворота резьбового соединения важны продольные вибрации [4], возникающие, в основном, во время разрушения обсадной колонны режущими лопастями. По данным промысловой статистики получены средние значения начальной длины снятого слоя металла самой
F
F
щ
инструмент и оборудование
Снижение силы трения в резьбовом соединении раздвижного расширителя, даже для минимального значения высоты отскока (амплитуды), значительно, особенно при работе в породах средней твердости и твердых породах. Расчеты показали, что при увеличении амплитуды колебания инструмента выше минимальных значений достаточно небольшого момента инерции для самопроизвольного отворота центратора.
распространенной обсадной колонны диаметром 168 мм с толщиной стенки 8,9 мм. Так как «скачок» в осевом направлении наиболее вероятен в момент окончания снятия слоя металла за один зарез, можно с определенными допущениями получить величину частоты вибраций.
Для расчета необходимо значение длины окружности по среднему диаметру кольцевого сечения обсадной колонны, которая согласно известной формуле:
; - пн
(6)
С учетом среднего значения начальной длины снятого слоя металла число скачков для фрезера за один оборот фрезера:
Частота вибраций, при условии частоты вращения фрезера 80 оборотов в минуту:
^ (8)
Средняя величина длины слоя металла, отобранного на устье, как показывает практика, при соблюдении рекомендуемых режимов фрезерования для обсадной колонны диаметром 168 мм группы прочности Д находится в интервале 19 - 31 мм. С учетом коэффициента усадки [5], средняя начальная длина снятого слоя металла для заданных условий равна 13,3 мм. Подставив в формулу все численные значения и про-
Табл. 1. Результаты расчетов влияния вибрации на момент отворота и снижение силы трения
ведя расчет, получим значение частоты вибраций, равное 155 Гц.
Амплитуда осевых вибраций раздвижного фрезера, с определенными допущениями, равна глубине фрезерования. Как показала практика, при осевой нагрузке на инструмент, равной 1,5 т, толщина стружки колонны диаметром 168 мм и толщиной стенки 8,9 мм в среднем составляет 1,5 - 2,2 мм. С учетом коэффициента усадки средняя глубина фрезерования 1 мм.
Подставляя полученные значения частоты и амплитуды вибрации в формулу (5), можно оценить значение вибрационных нагрузок на снижение момента, требуемого для отворота. Результаты расчета теоретического значения момента отворота для резьбы З-86 ГОСТ 28487-90 и снижения силы трения под действием вибрации представлены в табл. 1.
Согласно расчетам, снижение силы трения для стандартной компоновки фрезера составляет 0,4%. В случае применения дополнительных удлиняющих элементов для обеспечения лучшей центрации инструмента снижение составляет 1,3%.
РАСШИРЕНИЕ РАНЕЕ ПРОБУРЕННОЙ СКВАЖИНЫ
В работе [6] рассматривается вопрос вибронагру-женности глубинного оборудования для бурения скважин. Авторами получена формула для определения зависимости времени отскока долота от угловой скорости вращения нижней части вибронагруженной бурильной колонны:
(9)
Масса центрирующего элемента, кг Момент затяжки, Н*м Момент отворота, по формуле (3), Н*м Снижение усилия в соединении, Н Снижение усилия в соединении, %
30 8000 6915,5 720,8 0,4
100 8000 6915,5 2402,7 1,3
Табл. 2. Результаты расчетов величины момента отворота для резьбы З-86 ГОСТ 28487-90 и снижения силы трения под действием вибрации
Категория твердости горной породы Момент затяжки, Н*м Момент отворота, по формуле (3), Н*м Снижение усилия в соединении, Н Снижение усилия в соединении, %
2 - 4 8000 6915,5 6504,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.