Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 |

Рис. 2 Изменения частоты вращения вала турбобура ЗТСШ-71/2Ф, вызванные работой телесистемы _ й Нефтегазовое дело, 2005 В работе [3] определялась вероятность безостановочной работы ЗД с использованием так называемой задачи о выбросах, имея в виду, что двигатель подвержен действию стационарных случайных возмущений по моменту, которые приводят к изменениям частоты вращения вала ЗД. При этом предполагалось, что двигатель заглохнет, как только частота вращения упадет до некоторого критического значения. В данной работе такой метод не был принят как основной, поскольку есть возможность определить изменения частоты вращения вала ЗД под действием возмущений по перепаду давления на клапане-модуляторе в детерминированной постановке задачи. Говоря о возможности остановки турбобура в период срабатывания клапана ПГИ телесистемы необходимо отметить, что как было показано выше, при выборе амплитуды импульса в диапазоне до 3,0 МПа, в период действия импульса падение частоты вращения вала ЗД не приводит к остановке серийного турбобура. Однако, оценивая влияние случайных возмущений момента на долоте, необходимо отметить, что как было показано в работе [3], допустимое снижение расхода, при котором сохраняется устойчивая работа турбобура, составляет примерно 10%. В данном случае такое падение расхода имеет место уже при амплитуде импульсов 1.1-1.2 МПа, а при амплитуде импульса давления 2 МПа падение расхода составляет уже ~16%, что может привести к остановке двигателя. Одним из вариантов решения этой проблемы может служить увеличение гидравлического сопротивления ЗД-долота относительно сопротивления узла седло-клапан телеметрической системы, например, за счет установки насадок в долоте.

Взаимодействие телеметрической системы с турбобуром c падающей к тормозу линией давления Для турбобуров с падающей к тормозу линией давления все изложенное выше остается справедливым, за исключением того, что вместо выражения (15) необходимо применять выражение (14).

С учетом (13) и (14) получим выражение, связывающее перепад давления на ЗД с изменением расхода бурового раствора:

ap(aпq - acgapqSт) P = + (30) зд a Q pq Jp - aп + acgapSт + ac п В полученном выражении нас интересует второе слагаемое, характеризующее влияние турбобура на амплитуду импульсов давления, _ й Нефтегазовое дело, 2005 формируемых телеметрической системой, поскольку первое слагаемое является постоянным перепадом давления на турбобуре.

Для определения коэффициентов, входящих в выражения (14) и (30), воспользуемся характеристиками турбобура А7Н4С [4], режим работы турбобура, как и в случае с турбобуром ЗТСШ-71/2Ф определим при максимальной мощности на валу турбины, а производительность насосов возьмем 30 и 33 л/с.

Таблица Коэффициент Наименование Размерность Значение момент инерции ротора [кгсмс2] 0.J гидравлическое сопротивление [кгсс/м5] 1.Rгидр двигателя дифференциальный удельный [м] 0.aсg момент коэффициент зависимости изменения момента сопротивления на валу от [кгсмс] 6.aс изменения частоты вращения турбины конструктивный коэффициент [c2/м2] 2.Kконструктивный коэффициент [1/м3] Kкоэффициент зависимости изменения вращающего [кгсмс] - 6.aп момента от изменения частоты коэффициент зависимости изменения вращающего [кгсс/м2] aпq момента от изменения расхода бурового раствора коэффициент зависимости перепада давления на [кгсс/м5] apq турбобуре от изменения расхода бурового раствора коэффициент зависимости перепада давления на забойном [кгс с/м2] 61.ap двигателе от изменения частоты вращения вала С учетом выражений (14), (20) и (30) и определенных выше коэффициентов определим зависимость изменения частоты вращения вала турбобура А7Н4С от амплитуды импульсов давления на клапане телеметрической системы.

Полученный график показан на рис.1, линия 2. При установленной амплитуде сигнала 2 МПа падение расхода на входе турбобура равно 5.2 л/с, что составляет _ й Нефтегазовое дело, 2005 ~16% от номинального расхода, а при 2.5 МПа уже 6.5 л/с или 22% от номинала.

Такое падение расхода может явиться причиной остановки двигателя.

Изменение частоты вращения вала двигателя А7Н4С при формировании телесистемой импульсов давления с амплитудой 2 МПа, с учетом передаточной функции ПГИ, показано на рис. 3.

Рис.3. Изменение частоты вращения вала турбобура А7Н4С, вызванное работой телесистемы Для оценки влияния перепада давления на двигателе на амплитуду формируемого импульса воспользуемся вторым слагаемым выражения (30) и зависимостью изменения расхода в линии от перепада давления на ПГИ (20), тогда ap(aпq - acgapqSт) 1 sh(L) + WКГch(L) P = - (31) зд Jp - aп + acgapSт + ac Г (1 + 2RгWК )ch(L) + (WКГ + 2Rг )sh(L) Г Подставляя определенные выше для турбобура А7Н4С значения коэффициентов, получаем при установленной амплитуде импульса 2 МПа перепад давления на забойном двигателе 0.4 МПа, что составляет 20% от амплитуды импульса. Такое падение уровня передаваемого сигнала является существенным и должно быть принято во внимание при выборе режима работы телесистемы.

Оценивая же влияние работы телеметрической системы на частоту вращения вала турбобура необходимо отметить, что собственное гидравлическое сопротивление забойного двигателя является основным фактором, определяющим изменение расхода и соответствующее ему изменение частоты вращения вала при _ й Нефтегазовое дело, 2005 срабатывании клапана телеметрической системы. Более высокое гидравлическое сопротивление делает двигатель менее чувствительным к перепадам давления в линии, вызванным работой телеметрической системы.

Взаимодействие телеметрической системы с винтовым забойным двигателем Вопросам, посвященным винтовым забойным двигателям (ВЗД), теории их работы, характеристикам, результатам испытаний и т.п. посвящен целый ряд работ [2], [8], [10], [11] с различной степенью детализации. В данном разделе мы не будем останавливаться на деталях, а рассмотрим лишь общие вопросы в объеме, необходимом для решения конкретной задачи взаимодействия телеметрической системы с ВЗД.

Принципиальная схема КНБК с ВЗД приведена на рис.4.

Расход промывочной жидкости Qп равен сумме расхода через ЗД Qз и утечки Qу:

Qп= Qз+ Qу (32) Q Частота вращения ВЗД пропорциональна расходу через ВЗД:

з=K01Qз (33) Вращающий момент пропорционален перепаду давления на ВЗД:

Mп=K02Pвд, (34) где K01 и K02 - конструктивные постоянные ВЗД. Умножив обе части равенств (35) и (36) друг на друга и выразив произведение K01K02, получим:

G Nд K01K02= =, (35) Рис.Nп т.е. произведение K01K02 равно общему КПД ВЗД, который обычно считается величиной постоянной. Физически это понятно: чем больше объемный КПД K(меньше утечки), тем меньше должен быть механический КПД K02 (больше трение в винтовой паре) и наоборот.

Примем, что:

Qу Ry = Pвд, (36) где Rу - гидравлическое сопротивление утечки.

Тогда с учетом (32), (33), (34) и (36) внешняя характеристика ВЗД будет описываться следующим выражением [11]:

_ й Нефтегазовое дело, 2005 1 Mп = K02Ry Qп - з2Qп - з (37) K01 K Крутизна этой характеристики будет равна:

Mп K02 = 2 Ry(-Qп + з ) (38) з K01 КТак же, как в предыдущих разделах, будем рассматривать приращение всех изменяемых параметров. Тогда (33)(35) можно преобразовать:

Qп= Qз+ Qу (39) з= K01Qз (40) Mп= K02 PВД, (41) * * где К01 и К02 - дифференциальные конструктивные параметры:

з * К01 = (42) Qп М * п К02 = (43) РВД Разложим (37) в ряд Тейлора по Qп и з и ограничимся первыми членами.

Тогда Mп можно представить в следующем виде:

K M = 2 Rу(K01Qп0 - з0)(K01Qп - з) (44) п KВведем такие же обозначения, как и при рассмотрении турбобура:

Mп = aпqQп + aпз, (45) где aпq = 2K02 Rу(K01Qп0 - з0) Kaп = - 2 Rу(K01Qп0 - з0) KQп0, з0 - базовые точки, в окрестности которых берутся приращения Используя (7), (9)(12), после преобразования по Лапласу получим:

J s = М - М з п с Р * М п = К02 РВД М с = асg Р11 + асg Р12 + ас з Р = Sт Р 12 п (46) з = К01Q * з M п = aпq Qп + aп з Qп = Q з + Q у _ й Нефтегазовое дело, 2005 Решая систему (46) и преобразуя (36) по Лапласу для приращений, получим выражения для и P :

з ВД K01(K02 - acgSт) = Qп (47) з K (K02 - acgSт)+ (Jp p + aс) Rу K01(Jp p + aс) P = Qп, (48) вд K (K02 - acgSт)+ (Jp p + aс) Rу где Rу - дифференциальное гидравлическое сопротивление утечки, определяемое Pвд из (36) как = 2Qу0Rу.

Qу Сделаем несколько предварительных выводов из выражений (47) и (48).

Если утечек нет, то выражение (47) превращается в выражение (33), поскольку весь расход промывочной жидкости в этом случае является рабочим, а перепад давления на ВЗД начинает существенно зависеть от дифференциального удельного момента (энергоемкости буримой породы), и может достигать значительных величин, совпадающих по знаку со знаком изменения расхода промывочной жидкости. Это означает, что при малых утечках и большой энергоемкости пород положительный перепад давления на клапане-модуляторе приводит в первый момент (из-за волновых свойств гидравлического канала) к снижению расхода и сразу к снижению перепада давления на ВЗД (см. 48), т.е. к снижению амплитуды передаваемого импульса. Из этого вовсе не следует, что с увеличением утечек ситуация меняется в лучшую сторону, поскольку в этом случае ухудшаются энергетические характеристики ВЗД, приближая винтовой двигатель к турбобуру с точки зрения устойчивости. Более детально этот процесс будет рассмотрен ниже.

С учетом (20) выражение (47) приобретает следующий вид:

K01(K02 - acgSт) 1 sh(L) + WКГch(L) (49) = з K01 Г (1 + 2RгWК )ch(L) + (WКГ + 2Rг )sh(L) (K02 - acgSт)+ (Jp p + aс) Г Rу _ й Нефтегазовое дело, 2005 Для определения коэффициентов в (49) рассмотрим ВЗД Д3-конструкции Пермского филиала ВНИИБТ [1], полученные коэффициенты представлены в таблице 3.

Таблица Коэффициент Наименование Размерность Значение момент инерции ротора [кгсмс2] 0.J гидравлическое сопротивление [кгсс/м5] 1.Rгидр двигателя дифференциальный удельный [м] 0.aсg момент коэффициент зависимости изменения момента сопротивления на валу от [кгсмс] 64.aс изменения частоты вращения турбины дифференциальный [1/м3] K*конструктивный параметр дифференциальный [м3] 0.310-K*конструктивный параметр дифференциальное гидравлическое сопротивление [кгсс/м5] 0.R*у утечки Полученная зависимость изменения частоты вращения ротора винтового забойного двигателя Д3-195 от перепада давления в линии показана на рис.1, линия 3. На рис.5 представлено изменение частоты вращения вала двигателя, вызванное изменением расхода при формирования телесистемой импульсов давления с амплитудой 2 МПа.

Рис.5. Изменение частоты вращения ротора винтового двигателя Д3-195, вызванное работой телесистемы _ й Нефтегазовое дело, 2005 Как видно из рисунков (2), (3), (5) ВЗД наименее восприимчив к изменениям давления в гидроканале. Для оценки возникающего на ВЗД перепада давления воспользуемся определенными выше коэффициентами.

Анализируя перепад давления на ВЗД, вследствие изменения расхода в линии, необходимо отметить, что двигатель практически не оказывает влияния на изменение амплитуды импульсов телесистемы. Так при амплитуде импульса МПа перепад давления составляет всего 0.004 МПа.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы:

1. При определении режима работы телеметрической системы, и в частности при выборе амплитуды импульсов на выходе ПГИ, необходимо учитывать тип и режим работы забойного двигателя совместно с которым используется телеметрическая система. Для двигателей различной конструкции необходимо устанавливать различные режимы работы телесистемы, при этом наиболее восприимчив к перепадам давления на выходе ПГИ турбобур с падающей к тормозу линией давления.

2. Устойчивость двигателя к изменению расхода в момент передачи импульса зависит от амплитуды сигнала и от положения рабочей точки на энергетической характеристике турбины. При передаче сигнала с амплитудой 1.0-2.5 МПа изменение расхода в момент передачи импульса не приводит к неустойчивой работе ЗД, если его рабочая точка лежит правее режима максимальной мощности, однако в сочетании с воздействием стационарных случайных возмущений по моменту может вызвать его остановку. Это явление необходимо учитывать при выборе амплитуды сигнала. С другой стороны, при работе совместно с турбобуром с падающей к тормозу линией давления следует принимать во внимание снижение амплитуды импульса вследствие изменения перепада давления на двигателе.

_ й Нефтегазовое дело, 2005 Литература 1. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т. 2. Буровой инструмент. М., Недра, 2. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособ. М., Недра, 3. Белкин С.Г., Вольгемут Э.А., Зак В.Б., Лысенко Ю.А. Особенности совместной работы телесистемы с гидроканалом связи и забойного двигателя: Сборник научных трудов Проблемы освоения морских нефтяных и газовых месторождений М., ВНИИОЭНГ, 4. Справочник инженера по бурению. Т.1. Под редакцией Мищевича В.И., Сидорова Н.А. М., Недра, 5. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах.

Изд. 2, М., Недра, 6. Эскин М.Г. О неустойчивых режимах работы турбобура на забое. Нефт.

хоз-во. - 1959 - №7. Эскин М.Г. Продольные колебания низа бурильной колонны и их влияние на характеристики забойных двигателей. Нефт. хоз-во. 1966 №8. Эскин М.Г. Устойчивость объемных забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин. Нефт. хоз-во. 1973, №9. Эскин М.Г. Современное состояние и задачи управления турбинным бурением нефтяных и газовых скважин. НТИС Серия Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море М., ВНИИОЭНГ, №2-10. Эскин М.Г. О возможности бурения скважин с помощью винтовых объемных забойных двигателей и долот высокой моментоемкости. НТИС Серия Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море М., ВНИИОЭНГ, 1992 №9-11. Эскин М.Г. Автоматическое управление забойными двигателями для бурения нефтяных и газовых скважин. Дис. д-ра техн. наук, МиНХ им. И.М.

Губкина. М., 1970.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам