Розвиток наукових основ інжинірингу динамічних процесів трубних та штангових колон при бурінні та експлуатації свердловин

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми інжинірингу динамічних процесів трубних та штангових колон, що зазнають інтенсивних коливань в умовах буріння та експлуатації нафтових і газових свердловин. В роботі розроблено математичну модель для дослідження зміни інертності заповнених розчином зігнутих ділянок бурильної колони в залежності від параметрів їх деформації. Розширено теоретико-методологічні засади визначення кінетичної енергії та моменту інерції махових мас бурильної колони, що вказують на доцільність застосування бурильних труб з меншою інертністю для забезпечення її енергоефективності. Отримано залежності для оцінки сил тертя деформованої ділянки бурильної колони до стінки свердловини, при русі точки торкання по гвинтовій траєкторії, та роботи осьового навантаження і крутного моменту на їх подолання. Розроблено математичні моделі для оцінки напружено-деформованого стану ділянки колони насосно-компресорних труб і довговічності її елементів на основі кінетичного потенціалу, які враховують кінематичні параметри поперечно- згинальних коливань та геометричні параметри просторової деформації. Розвинуто теоретико-методологічні засади оцінювання навантаженості перерізів колони насосних штанг, визначення коефіцієнтів згасання та дисипації її коливань з встановленням умов недопущення резонансу.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической проблемы инжиниринга динамических процессов трубных и штанговых колонн, которые испытывают интенсивные колебания в условиях бурения и эксплуатации нефтя¬ных и газовых скважин. В работе разработана математическая модель для исследования изменения инертности заполненных раствором согнутых участков бурильной колонны в зависимости от параметров их деформации. Расширены теоретико-методологические основы определения кинетической энергии и момента инерции маховых масс бурильной колонны, которые указывают на целесообразность применения бурильных труб с меньшей инертностью для обеспечения ее энергоэффективности. Получены зависимости для оценки сил трения деформированного участка бурильной колонны к стенке скважины, при движении точки ка¬сания по винтовой траектории, и работы осевой нагрузки и крутящего момента на на их преодоление. Разработаны математические модели для оценки напряженно- деформированного состояния участка колонны насосно-компрессорных труб и долговечности ее элементов на основе кинетического потенциала, которые учитывают кинематические параметры поперечно-сгибающих колебаний и геометрические параметры пространственной деформации. Развиты теоретико¬методологические основы оценки нагрузки сечений колонны насосных штанг, определение коэффициентов затухания и диссипации ее колебаний с определением условий предотвращения резонанса.

The dissertation is devoted to the solution of an important scientific and technical problem of engineering of dynamic processes of pipe and rod columns, which undergo intense oscillations in the conditions of drilling and operation of oil and gas wells. A mathematical model of rotation of a curved inhomogeneous tube-frequent rod filled with liquid is developed. The presence of a threshold value of the length of the drill string, at which the flywheel masses lead to overuse of mechanical energy for its rotation. To minimize the inertia of the drill string and ensure energy-efficient operation, it is recommended to use drill pipes with less inertia in its layout. New experimental data on the parameters of longitudinal and torsional oscillations of the drilling tool, under the conditions of using bits of the cutting type, were obtained. Based on the obtained patterns of deepening of the face, the amplitude-frequency characteristics of oscillations, their dependence on the properties of drilled rocks, parameters of the rock-destroying tool in the modes of "slipping" and "reloading" are es¬tablished. Numerical models have been developed for a comprehensive automated study of the parameters of longitudinal and torsional oscillations, as well as elastic deformation of the drill string based on the methods of subsystems and finite elements. Using models with concentrated masses, the time dependences of displacement, velocity, acceleration, axial load, turning angle, angular velocity, angular acceleration and torque of the drill string sections were established. On the basis of pipe models the process of static and dynamic deformation of drill strings is investigated and the dependences of change of their moments of inertia during rotary drilling are received.