Динамічні процеси в бурових установках під час вивільнення прихопленої колони труб

Abstract

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності вивільнення прихопленої у свердловині колони бурильних або обсадних труб за рахунок обгрунтування раціональних режимів роботи бурових установок і параметрів пристроїв ударної дії на основі удосконалення математичних моделей динамічних процесів у механічній системі. Розроблено математичну модель і алгоритм розрахунку динамічних процесів, що виникають в буровій установці і незаблокованій частині прихопленої колони труб з урахуванням сумісного функціонування привідної системи і механізму ударної дії, а також математичну модель динамічних процесів, які виникають у заблокованій частині колони внаслідок прикладання статичних та динамічних імпульсних навантажень. В останньому випадку враховано багатокомпонентне тертя, яке виникає у матеріалі та в з’єднаннях колони труб, а також у зонах безпосереднього контакту колони зі стінкою свердловини та на поверхнях взаємодії колони з буровим розчином. Досліджено вплив експлуатаційних параметрів бурової установки і параметрів пристрою ударної дії для вивільнення прихопленої колони труб на динамічні зусилля у колоні, талевому канаті, буровій вишці. Диссертационная работа посвящена повышению эффективности освобождения прихваченной в скважине колонны бурильных или обсадных труб за счет обоснования рациональных режимов работы буровых установок и параметров устройств ударного действия на основе усовершенствования математических моделей динамических процессов в механической системе. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета динамических процессов, возникающих в буровой установке и незаблокированной части прихваченной колонны труб с учетом совместного функционирования приводной системы и механизма ударного действия, а также математическая модель динамических процессов, возникающих в заблокированной части колонны вследствие воздействия на систему статической и динамической импульсной нагрузки. В последнем случае учтено многокомпонентное трение, возникающее в материале и в соединениях колонны труб, а также в зонах непосредственного контакта колонны со стенкой скважины и на поверхностях взаимодействия колонны с буровым раствором. Исследовано влияние эксплуатационных параметров буровой установки и параметров устройства ударного действия для освобождения прихваченной колонны труб на динамические усилия в колонне, талевом канате, буровой вышке. The dissertation is devoted to the increasing of the efficiency of the release of the drilled or casing pipes assembled in the bore hole due to the substantiation of rational modes of operation of drilling units and the parameters of impact devices on the basis of the improvement of mathematical models of dynamic processes in the mechanical system. A mathematical model and algorithm of calculation of dynamic processes have been worked owt. They arise in a drilling rig and an unblocked part of a picked column of pipes with the consideration of the joint functioning of the actuating system and the impact mechanism, as well as the mathematical model of dynamic processes that arise in the locked part of the column due to the application static and dynamic pulsed loads. In the latter case, the multicomponent friction has been taken into account. It occurs in the material and in the connections of the pipe column, as well as in the zones of direct contact of the column with the well wall and on the surfaces of the interaction of the drill bit column is taken into account. The influence of operational parameters of the drilling unit and the parameters of the impact device for the release of the picked column of the pipes on the dynamic forces in the column, the wire rope, and the drill tower are investigated. The methodology of calculation of nonstationary processes in the lifting system of drilling rigs in emergency operation modes has been further developed, taking into account the simultaneous operation of the drive of the installation and the impact mechanism for the creation of impulse loads of the column. For the first time, based on the developed methodology, a nonlinear mathematical model of dynamic processes in the lifting system of the installation was constructed taking into account the close interconnection of electromagnetic phenomena in the asynchronous motor and oscillation and wave phenomena in the continuum-discrete mechanical system. The study of the dynamic processes occurring during the elimination of the picking of the column of drill pipes was carried out. The effect of the force of the hydraulic shock mechanism, the area of the cross section and the length of the column on the characteristics of the dynamic processes is considered. The influence of the operating mode of the drive of the drilling rig during the acceleration of the lift system on the various values of the transmission ratio of the gearbox and the moment of friction in the coupling on the process of releasing the picked column of drill pipes is analyzed. The rational parameters of the process of release of the picked column of drill pipes with the help of the lifting system and the hydraulic shock mechanism are substantiated. A mathematical model was constructed and a computer algorithm for calculating dynamic processes occurring in a drill pipe collet drilled during its release by means of a shock-action mechanism or a pulsed-wave device equipped with a linear pulse engine was developed. The drill string with a shock mechanism, which is installed over the entrenched lower part of the column after the accident detection and is driven by lowering and raising the unpaved upper part of the column with the drive system of the drilling rig, is considered as a continuum-discrete mechanical system. As a result of the shock action of the buoy on the body of the impact mechanism in the drill pipe column, wave processes that contribute to the release of the pipes taken in the wells occur. For the first time, a finite-difference approximation of the constructed mathematical model was carried out by applying a method of weighted nonconformities in conjunction with the Bubnov-Galerkin method, which resulted in the problem of analysis of wave processes reduced to the solution of the Cauchy problem for a nonlinear system of ordinary differential equations. The influence of frictional forces on the passage of longitudinal waves in the drill pipe column is investigated. Practical recommendations for improving the efficiency of carrying out repair and restoration works on wells are substantiated. The developed mathematical models, calculation algorithms and computer programs for carrying out researches of dynamic processes that arise during the release of the picked column of pipes have practical value in the field of oil and gas engineering and provide an opportunity to significantly improve the accuracy of the determination of operational loads, prognostication of durability and residual life of critical parts and units of drilling units and impact devices for the release of tubes taken from the well in the well.