Способ увеличения механической скорости проходки на долото при турбинном бурении
Владельцы патента RU 2270312:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU)
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области бурения скважин. Техническим результатом является увеличение механической скорости бурения за счет уменьшения степени неравномерности вращения вала турбобура. Для этого способ увеличения механической скорости проходки на долото при турбинном бурении скважины, оборудованной буровым насосом, нагнетательной линией, буровым шлангом, бурильными трубами и турбобуром, предусматривает установку составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательной линии между буровым насосом и буровым шлангом, преобразование нормальных волн низких номеров в спектре шума бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости, создание равномерного движения потока без пульсаций нормальных волн низких номеров промывочной жидкости из бурильных труб в турбобур, создание равномерного вращения лопаток ротора турбины турбобура промывочной жидкостью с последующим без рывков вращением шарошек долота по забою скважины. 5 ил.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области бурения нефтяных и газовых скважин.
Известен способ увеличения механической скорости проходки на долото путем установки между турбобуром и долотом короткого маховика большого диаметра, который уменьшает степень неравномерности вращения вала. Серийные турбобуры и долота работают с высокой степенью неравномерности вращения σ=30-80%, что снижает их работоспособность [1].
Недостатком способа является то, что в конструкцию между турбобуром и долотом встраивают маховик.
Известен способ уменьшения степени неравномерности вращения вала турбобура, который заключается в размещении воздушных компенсаторов в нагнетательной линии бурового насоса и значительно сглаживающий пульсации давления в буровом растворе [2].
Максимальный размах пульсации (разница между минимальным и максимальным значением давления) составляет 17-17,5 ат (при работе двух насосов У8-3М, давление на стояке по манометру 100-110 ат). При работе воздушных компенсаторов максимальное значение пульсаций давления снижено с 17,5 до 12,12,5 ат за счет действия воздушных компенсаторов.
Недостатком данного способа является высокий остаточный уровень пульсаций давления в буровом растворе, который определяется степенью неравномерности давления
где РМАК - максимальное давление промывочной жидкости; РМИН -минимальное давление промывочной жидкости; РС - статическое (приближенно среднее) значение давления промывочной жидкости.
Результаты экспериментальных исследований давления Р промывочной жидкости, нагнетаемой буровыми насосами, составляет 61%. Применение компенсаторов уменьшает величину до 19% [2].
Задачей изобретения является увеличение механической скорости бурения за счет уменьшения степени неравномерности вращения вала турбобура.
Поставленная задача достигается тем, что устанавливают составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательную линию между буровым насосом и буровым шлангом, преобразуют нормальные волны низких номеров в спектре шума бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости, создают равномерное движение потока без пульсаций нормальных волн низких номеров бурового раствора из бурильных труб в турбобур, создают равномерное вращение лопаток ротора турбины турбобура промывочной жидкостью с последующим без рывков вращением шарошек долота по забою скважины.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемом способе осуществляют выравнивание потока промывочной жидкостью перед турбобуром. Это приводит к тому, что лопатки ротора турбины турбобура, следовательно, и шарошки долота начинают вращаться равномерно по забою скважины.
Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».
Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что уменьшение степени неравномерности вращения вала турбобура известно [2]. Однако неизвестно, что с помощью составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов можно преобразовать нормальные волны низких номеров в спектре шума бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости и создать равномерное движение потока без пульсаций нормальных волн низких номеров промывочной жидкости из бурильных труб в турбобур, тем самым создать равномерное вращение лопаток ротора турбины турбобура промывочной жидкостью с последующим без рывков вращения шарошек долота по забою скважины. В итоге меняются режим работы турбобура и нагрузка на забой.
Таким образом, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение может быть реализовано на стандартных средствах.
Таким образом, изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Физические процессы при решении задачи
1. Известно, что упругие волны в столбе промывочной жидкости вызывают в его турбине колебания давления и расхода жидкости и, как следствие, скорость вращения долота n, гидравлической силы РГ, момента М и мощности N на валу турбобура, возбуждающие продольные и крутильные колебания вала турбобура и долота. В итоге меняются режим работы турбобура и нагрузка на забой.
Изменение n1; M1; N1 и Pг1 соответственно на n2; М2; N2 и Рг2 при изменении расхода промывочной жидкости с Q1 на Q2 или давления с p1 на р2 (при удельном весе промывочной жидкости γж=const) определяется известной формулой (1)
2. Пульсации давлений в жидкости оценивают по параметрам звука [3]. Поэтому, если снизить уровень звука, а именно однородные нормальные волны низких номеров (упругие волны), то можно, во-первых, устранить неравномерность вращения лопаток турбины турбобура, во-вторых, устранить рывки вращения шарошек долота по забою скважины, т.е. изменить режим работы турбобура и нагрузку на забой, следовательно, увеличить механическую скорость проходки на долото.
3. Трубы, по которым распространяется звук, с акустической точки зрения являются волноводами. Как известно, звуковое поле в любом волноводе представляет собой суперпозицию однородных нормальных волн разных типов (номеров). Неоднородные нормальные волны экспоненциально затухают по мере распространения в волноводе, поэтому при достаточном удалении от источника они дают незначительный вклад в полное звуковое поле. Однородные нормальные волны распространяются в волноводе, не затухая. Наиболее простой из них является нулевая нормальная волна. Эта волна аналогична плоской волне в свободном пространстве, скорости частиц в ней параллельны направлению распространения, т.е. стенкам волновода.
Одним из распространенных способов уменьшить передачу звука по волноводу является создание поглощения звука на его стенках, которые покрывают звукопоглощающим материалом. Однако все звукопоглощающие материалы эффективны при малых углах падения звуковой волны, поглощение звука при увеличении угла падания быстро уменьшается. По этой причине затухание нормальных волн в волноводе, облицованном звукопоглощающим материалом, резко замедляется при уменьшении их номера. При достаточно большой длине облицованного участка в волноводе остается только нормальная волна самого низкого номера. По затуханию именно этой нормальной волны и оценивается эффективность звукопоглощающего материала на стенках волновода.
Поэтому предлагается способ увеличения затухания звука в волноводе трансформацией слабо затухающих нормальных волн низких номеров в нормальные волны высоких номеров, хорошо поглощаемые в буровом растворе. Нормальные волны трансформируются при помощи резонаторов, акустически присоединяемых к волноводу. Тип резонатора и способ их акустического присоединения к волноводу не имеет принципиального значения. При распространении в волноводе звуковых волн, имеющих частоту, равную собственной частоте резонаторов или близкую к ней, происходит интенсивное рассеяние звука на резонаторах. В результате этого происходит трансформация нормальных волн низких номеров в нормальные волны высоких номеров. Если в волноводе одновременно распространяются звуковые волны с различными частотами, то для увеличения затухания звука к этому волноводу нужно присоединить набор резонаторов с соответствующими собственными частотами.
4. Если в волноводе распространяется нормальная волна номера q с частотой ω, то для волновода с жесткими стенками эта волна имеет вид [4]
где 
с - скорость звука в жидкости.
Множитель ехр(-iωt) здесь и далее опускается. Под действием волны (2) резонатор возбуждается и создает поле Р(х, z). Полное поле в волноводе получается сложением полей Р0 и Р.
Для определения поля Р используется следующий прием. Если размеры резонатора малы по сравнению с длиной волны, то этот резонатор рассматривается как колебательная система с одной степенью свободы. Сосредоточенные параметры системы определяются размерами горла и объемом жидкостной полости резонатора. Обозначим через V0 объемную скорость, создаваемую резонатором при воздействии на него падающего поля Р0. Выразим рассеянное поле в волноводе через величину V0. Поле, создаваемое резонатором, согласно методу, изложенному в работе [5], равно
где k=ω/с; ρ = плотность жидкости;
Здесь и далее верхний знак выбирается при х>0, а нижний при х<0.
Величину V0 и, следовательно, поле Р(х, z) можно найти, используя уравнение вынужденных колебаний резонатора под действием поля Р0 (х, z). Это уравнение имеет вид
где М - эффективная масса (масса жидкости в горле резонатора плюс присоединенная масса);
а - ширина горла;
χ - гибкость;
r0 - сопротивление трения;
г - сопротивление излучения.
Величина г определяется по формуле
где N - число нормальных волн, распространяющихся в волноводе (кроме нулевой волны).
Решение уравнения (4) можно представить в форме
где
R=(r0+r); 
Следовательно, объемная скорость V0 записывается в виде
Если частота звука совпадает с собственной частотой резонатора
и сопротивление трения мало по сравнению с сопротивлением излучения (r0≪r), то эта формула принимает вид
Пользуясь формулами (3) и (8), получим для рассеянного поля
где амплитуды An нормальных волн вычисляются по формуле
Из этих формул следует, что амплитуды рассеянных вперед и назад нормальных волн одинаковы. Из формул (12) видно, что возбуждение нормальных волн в волноводе не зависит от номера q падающей волны. Это объясняется тем, что резонатор реагирует лишь на давление, а давление, создаваемое падающей волной на жесткой стенке волновода, зависит только от амплитуды этой волны. Поскольку амплитуды Аn обратно пропорциональны величине ξn, то степень возбуждения нормальной волны возрастает при увеличении ее номера. Наибольшую амплитуду имеет волна, критическая частота которой ближе к частоте звука. В предельном случае совпадения критической частоты для нормальной волны номера l с частотой звука получим
При kh=lπ, где = l - любое целое число, возбуждается только нормальная волна номера l; другие волны не возбуждаются.
Таким образом, в волноводе при рассеянии звука на резонаторе нормальные волны низких номеров трансформируются в нормальные волны высоких номеров, которые хорошо поглощаются буровым раствором. Следовательно, снижается пульсация давления и устраняется неравномерность вращения лопаток турбины турбобура с последующим устранением рывков вращения шарошек долота по забою скважины и увеличением механической скорости проходки на долото.
На фиг.1 изображена диаграмма импульсов давления, создаваемых буровым насосом, в бурильной колонне перед турбобуром.
На фиг.2 изображена диаграмма импульсов давления между составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов и турбобуром.
На фиг.3 показаны колебания скорости вращения вала турбобура.
На фиг.4 изображены колебания скорости вращения вала турбобура после установки составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательной линии между буровым насосом и буровым шлангом.
На фиг.5 изображена схема размещения составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательной линии между буровым насосом и буровым шлангом.
На фиг.1 изображена диаграмма импульсов (пульсаций) давления с неравномерным периодом следования (рывками) после бурового насоса в нагнетательной линии и бурильной колонне перед турбобуром.
Неравномерность периодов Т следования импульсов давления (пульсаций) создается за счет нестабильности работы поршневого насоса, где Т(1)≠T(2)≠Т(3).
На фиг.2 изображена диаграмма импульсов давления (пульсаций) с равномерным периодом Т, где Т(1)=Т(2)=Т(3)=Т(4).
Равномерность периодов следования импульсов объясняется отсутствием нормальных волн низких номеров в нагнетательной линии перед турбобуром. Это приводит к стабилизации потока. В нагнетательной линии размещен составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов.
На фиг.3 изображена диаграмма частоты вращения долота n. Показана степень неравномерности вращения вала турбобура.
На фиг.4 изображена диаграмма частоты вращения долота n после установки составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов 3 (фиг.5) в нагнетательной линии 2 (фиг.5) между буровым насосом 1 (фиг.5) и буровым шлангом 4 (фиг.5). Степень неравномерности вращения долота уменьшилась.
На фиг.5 изображена схема для реализации предлагаемого способа, где 1 - буровой насос, 2 - нагнетательная линия, 3 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов, 4 - буровой шланг, 5 - бурильная труба, 6 - турбобур.
Пример осуществления способа
Первая операция
Устанавливают составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов 3 (например, [6]) (фиг.5) в нагнетательную линию 2 (фиг.5) между буровым насосом 1 (фиг.5) и буровым шлангом 4 (фиг.5).
Вторая операция
Преобразуют нормальные волны низких номеров (согласно уравнению 11 и 21) в спектре шума бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости.
Третья операция
Создают равномерное движение потока без пульсаций (рывков), фиг.2, нормальных волн низких номеров промывочной жидкости из бурильных труб 5 (фиг.5) в турбобур 6 (фиг.5).
Четвертая операция
Создают равномерное вращение лопаток ротора турбины турбобура (вала турбобура) 6 (фиг.5) промывочной жидкостью с последующим без рывков вращение шарошек долота по забою скважины, фиг.4
Предложенный способ по стабилизации потока промывочной жидкости, основанный на преобразовании нормальных волн низких номеров в спектре шума (упругие волны в столбе промывочной жидкости) бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости) насосом, прошел промышленные испытания на буровой установке БУ-3000 УЭК, на Тарасовском месторождении Пурпейского УБР на скважинах №№4, 1, 2 и 66 с размещенным составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательной линии (на расстоянии 15 м от бурового насоса).
По отношению к показателям параметров бурения ранее пробуренных скважин №№3, 5 и 8 (без составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов) в интервале бурения из-под кондуктора (500-1500 м) позволило повысить механическую скорость бурения (с 37,4 м/час до 45, 2 м/час) на 17,5% и увеличить проходку на долото на 6,3%.
Источники информации
1. Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. М.: Недра, 1975. С.22-25, 37-39.
2. Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. - М.: Гостехиздат, 1963. С.79-85 [ПРОТОТИП].
3. Справочник по технической акустике: Пер. с нем./Под ред. М. Хекла и Х.А.Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. С.218-219.
4. Лапин А.Д. Применение резонаторов для уменьшения передачи звука в трубах. / Борьба с шумами и вибрацией // М.: Литература по строительству, 1966. - С.304-309.
5. Исакович М.А. Рассеяние звуковых волн на малых неоднородностях в волноводе. Акустический журнал. 1957, 3, 1, с.37-45.
6. Патент RU 2109134, кл. Е 21 В 43/25.
Способ увеличения механической скорости проходки на долото при турбинном бурении скважины, оборудованной буровым насосом, нагнетательной линией, буровым шлангом, бурильными трубами и турбобуром, предусматривающий установку составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов в нагнетательной линии между буровым насосом и буровым шлангом, преобразование нормальных волн низких номеров в спектре шума бурового насоса в нормальные волны высоких номеров с последующим их рассеиванием в промывочной жидкости, создание равномерного движения потока без пульсаций нормальных волн низких номеров промывочной жидкости из бурильных труб в турбобур, создание равномерного вращения лопаток ротора турбины турбобура промывочной жидкостью с последующим без рывков вращением шарошек долота по забою скважины.
