Стенд для исследования динамических характеристик бурильного инструмента и потока промывочной жидкости

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (1) ф Е 21 В 21/00

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3794231/22-03 (22) 25.07 ° 84 (46) 30.01.86. Бюл, Р 4 (71) Тюменский индустриальный институт им. Ленинского комсомола (72) Г. А, Кулябин и .С, И. Грачев (53) 622.243.64(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1) 794165, кл . Е 21 В 17/00, 1975, Авторское свидетельство СССР

1(815416, кл. F 16 L 55/04, 1979. (54)(57) СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БУРИЛЬНОГО

ИНСТРУМЕНТА И ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ

ЖИДКОСТИ, содержащий гидромагистраль со всасывающим и нагнетательным трубопроводами, демпфер, пульсатор и систему измерения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью приближения условий исследования к реапьным путем моделирования динамического взаимодействия бурильного инструмента с потоком промывочной жидкости, демпфер и пульсатор установлены в нагнета тельном трубопроводе, при этом участок нагнетательного трубопровода между демпфером и пульсатором выполнен из материала, величина модуля упругости которого меньше модуля упругости материала бурильного. инструмента, 12081 при этом с сО (г) Изобретение относится к гидродинамике, в частности к устройствам для исследования внутренних и внешних

Э процессов, происходящих при динамическом взаимодействии нижней части бу- 5 рильного инструмента с жидкостью, а также при демпфировании в системе бурильного инструмента, Циркуляционный тракт бурящейся скважины является гидромагистралью со всасывающим и нагнетательным трубопроводами, между которыми установлен буровой насос, Роль нагнетательного трубопровода выполняет бурильный инструмент, в состав которого входит колонна, турбобур с долотом, демпферы, гасители колебаний давлений и др. Турбобур является поршневым источником (пульсатором) упругих колебаний в столбе промывочной жидкости

При рассмотрении вопроса распрост ранения колебаний в гидромагистралях с демпфером и пульсатором расстояния между последними 6 должно быть не менее длины волны A возникающей в жидкости и трубопроводе вследствие внешних воздействий, так как при

= 3 возможен анализ процесса прохождения, отражения и демпфирования ко- 30 лебаний, Как известно, % связана с частотой.колебаний f и скоростью волны (c) в жидкости, заполняющей трубопровод, соотношением 35 с

Ъ= — 1

f (1) где c. — скорость волны в жидкости; — модуль упругости жидкости 45

Ф

Š— модуль упругости материала стенок трубопровода; — диаметр трубопровода;

- толщина стенок трубопровода, Из формулы (1) следует, что длина SO волны в жидкости, заполняющей трубопровод .стенда, изготовленного из материала, у которого величина модуля упругости F, равна модулю упругости материала бурильного инструмента Ец, 55 достигает нескольких десятков метров при низкочастотных вибрациях пульсатора, Поэтому необходимая величина

7,5

2 также значительна, а стенд имеет большие габаритные размеры, что затрудняет установку измерительной аппаратуры и соответственно исследования процессов. Если при E„ = Е> принять 8.< A. то нарушаются качественные и количественные связи исследуемого динамического процесса при изучении его на модели, Цель изобретения — приближение условий исследования к реальным путем моделирования динамического взаимодействия бурильного инструмента с потоком промывочной жидкости, Установка пульсатора и демпфера в нагнетательном трубопроводе стенда позволяет смоделировать процесс возникновения и распространения упругих колебаний в столбе промывочной жидкости при работе турбобура как поршневого источника вибраций; связанный с указанным процессом вибраций бурильный инструмент; процесс гашения колебаний давления жидкости в бурильной колонне.

Выполнение участка трубопровода между демпфером и пульсатором из материала, имеющего E„ « E„, позволяет сократить величину f. Как известно, при,бурении с использованием серийных турбобуров и шарошечных долот диапазон частот вибраций в среднем составляет !0-200 Гц, Так как частота f è частота продольных колебаний пульсатора на модели f„ являются исходными энергетическими характеристиками гидродинамического процесса в потоке жидкости, то необходимо сохранить равенство f = fä °

Но при Гн = f ì H Ем Ец = 140

I4 м, а длина волны вибраций в бурильной колонне равна 510-5! м. Если обеспечить F «Е (вместо стальных применить, например, трубки из резины или оргстекла), то имеет величину 8, равную 0 5-1,0 м. В этом случае возможно более эффективное исследование динамических процессов, происходящих в бурильном инструменте и потоке жидкости, с привлечением голографической установки ЭВМ.

На чертеже изображена схема стенда.

Стенд содержит насос 1, соединенный со всасывающим 2 и нагнетательным

3 трубопроводами, размещенные в нагие ательном трубопроводе 3 демпфер 4 и пульсатор в виде вибрирующего порш1208175

Составитель Е. Столбцов

Редактор М. Петрова . Техред О.Ващишина Корректор А, Тяско

Заказ 210/39 Тираж 548 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ня 5 с центральным отверстием 6 и регулируемым дросселем 7, и сливной трубопровод 8. Участок нагнетательного трубопровода 9 между демпфером 4 и пульсатором 5 выполнен из материала, имеющего величину. модуля упругости значительно меньше, чем модуль упругости материала бурильной колонны, В систему измерения входят датчики 10-12 давления и вибродатчики 13 и 10

14 для регистрации и записи на установке 15 параметров вибрации участка трубопровода 9 и поршня 5 пульсатора.

Предлагаемый стенд работает следующим образом, 15

Трубопроводы 2,.3 и 8 заполняются жидкостью, в демпфере 4 создается, например, паровая подушка, Включением насоса 1 и открытием дросселя

7 начинается прокачка жидкости по системе. Включением пульсатора 5 моделируется динамический процесс взаимодействия нижней части бурильного инструмента с. промывочной жидкостью 25

Датчики 10-12 дают сигналы об изменениях давления в. различных точках системы, Датчики 13 и !4 воспринимают вибрации трубопровода 9 и пульсатора 5, а параметры этих вибраций 30 записываются на установке 15.

Если корпус демпфера 4 и участок нагнетательного трубопровода 9 выполнен из оргстекла, то производит ся голографирование процессов, про-. текающих в трубопроводе 9 и демпфере 4.

Предлагаемый стенд моделирует нижнюю часть бурильного инструмента в состав которого входят колонна

У турбобур с долотом, демпфер и гасители колебаний давления, Применение в качестве модели бурильной колонны трубок иэ резины, полиэтилена или оргстекла позволяет проводить исследования динамического взаимодейсь. вия инструмента с потоком промывоч-. ной жидкости в широком диапазоне частот и амплитуд вибраций, соответствующих реальным условиям,не прибегая к увеличению габаритных размеров нагнетательного трубопровода или. к афинному подобию.

Укаэанные преимущества предлагаемого стенда позволяют при лабораторных исследованиях определить качественные, и количественные данные, необходимые для оптимизации распределения. гидравлической мощности прн бурении, дающей экономию полезной энергии потока промывочной жидкости, расходуемой на разрушение горных пород на забое скважины, Следствием этого является снижение себестоимости одного метра проходки скважин.