Incipient Regimes of Drill Bit Whirlings on Uneven Bottoms of Deep Bore-Holes

Abstract

Поставлена задача про коливання кружляння бурового долота, що обертається, в умовах його контактної взаємодії із шорсткуватим дном свердловини. Оскільки такий тип вібрацій зустрічається в 40% випадків буріння глибоких свердловин, проблема їх вивчення представляє як науковий, так і прикладний інтерес.Встановлено, що ефект самозбурення таких коливань пов'язаний зі збільшенням сили контактного тиску між долотом та свердловиною і її наближенням до критичного значення Ейлера. У цих умовах згинна жорсткість бурильної колони зменшується й вона може випучувати. При цьому вісь долота нахиляється й починає прецесувати. В результаті долото втрачає здатність ковзати по дну й починає котитися по його поверхні, відстаючи або випереджаючи обертання бурильної колони. При такому русі точка контакту долота із зазначеною поверхнею (миттєвий центр швидкостей) може описувати надзвичайно складні траєкторії у вигляді петель і точок загострення й змінювати напрямок руху. В якості прикладу розглянуті коливання кружляння доліт сферичної форми.Ключові слова: глибоке буріння, долото, неголономна динаміка, прямі та зворотні кружляння.Поставлена задача о колебаниях кружения вращающегося бурового долота в условиях его контактного взаимодействия с шероховатым дном скважины. Поскольку такой тип вибраций встречается в 40% случаев бурения глубоких скважин, проблема их изучения представляет как научный, так и прикладной интерес. Установлено, что эффект самовозбуждения таких колебаний связан с увеличением силы контактного давления между долотом и скважиной и ее приближением к критическому значению Эйлера. В этих условиях изгибная жесткость бурильной колонны уменьшается и она может выпучивать. При этом ось долота наклоняется и начинает прецессировать. В результате долото теряет способность скользить по дну и начинает катиться по его поверхности, отставая или опережая вращение бурильной колонны. При таком движении точка контакта долота с указанной поверхностью (мгновенный центр скоростей) может описывать чрезвычайно сложные траектории в виде петель и точек заострения и изменять направление движения. В качестве примера рассмотрены колебания кружения долот сферической формы.Ключевые слова: глубокое бурение, долото, неголономная динамика, прямое и обратное кружение.This paper studies the problem of whirl vibrations of rotating drill string bit under conditions of its contact interaction with the borehole bottom surface. The destructive effects of whirl vibrations of drill bits and drill strings have long been recognized. The backward whirling is believed to randomly happen to some degree in 40 % of all wells.It is shown that the situation is essentially associated with enlargement of the compressive thrust force and its approaching to the Eulerian critical value. Then, the bending stiffness of the drill string reduces, it hogs and the diamond impregnations existing in the bit surface penetrate into the rock medium. As this takes place, the bit axis tilts and nutates. It should be particularly emphasized that at this stage, the bit is under action of the ...