Процесс бурения сопряжен с различного рода особенностями: неоднородность структуры слагающих скважину пластов, уменьшение или увеличение контактных усилий зубьев долота с забоем, недостаточная стойкость вооружения опор долота, прихваты бурильных труб и т.п. Глубинное оборудование при этом подвергается действию различных по амплитуде и частоте колебаний. При возникновении нелинейных сил сопротивления, зависящих от скорости движения бурильной колонны, долота, турбобура, могут развиваться также автоколебания. Вибрации, взаимодействующие друг с другом в процессе бурения, способствуют эффективному разрушению горных пород, и в то же время затрудняют передачу энергии на забой, служат причиной возникновения переменных напряжений в элементах бурильной колонны и их усталостному повреждению. Восприятие бурильным инструментом силового воздействия, вызывающего вибрации, можно охарактеризовать как вибронагруженность. Анализ вибронагруженности необходим при оценке работы и технического состояния глубинного оборудования в процессе бурения.
Элементы глубинного оборудования могут иметь нелинейную рабочую характеристику [1]. Особенность любых нелинейных механических система состоит в том, что их колебания не обязательно должны «приходить извне». Они могут возникать и устойчиво поддерживаться в самой колебательной системе. Действие вибрации в нелинейных системах приводит к своеобразным, часто неожиданным эффектам, которые, с одной стороны, могут быть использованы в технологическом процессе бурения скважин, с другой стороны, могут явиться причиной нежелательных и даже катастрофических ситуаций. Под действием вибрации в колебательной системе могут исчезнуть прежние и появиться новые виды движения системы, смениться характер положений равновесия (т.е. их устойчивости или неустойчивости), измениться частоты малых свободных колебаний вблизи поожения устойчивого равновесия, возникнуть эффекты вибрационной связи и др.[2].
При оптимальной работе вибронагруженного глубинного оборудования приоритетной задачей является повышение механической скорости бурения и проходки на долото при предохранении бурильного инструмента от вредных воздействий вибрации, что частично решается с помощью введения виброзащитных устройств бурильной колонны. В частности, при бурении в твердых горных породах происходят отскоки долота, вызванные ударным режимом его работы, а установка амортизатора колебаний бурильной колонны позволяет устранить или уменьшить отскоки долота и скольжение его вхолостую [3, 4].
Примем в качестве одного из параметров вибронагруженности глубинного оборудования величину отскока долота и с его помощью оценим влияние случайных воздействий на работу породоразрушающего инструмента.
Рассмотрим низ бурильной колонны с амортизатором в виде упрощенной модели (рисунок 1). Определим минимальное время отскока долота при воздействии случайных колебаний.
На низ бурильной колонны действуют постоянная сила a и случайная сила E (t), которая является случайным процессом с нулевым математическим ожиданием [5]. Уравнение движения долота ax=a+e(t), где ax- сила сопротивления.
Источник: Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал
Автор: Имаева Э.Ш.
