в какой части бурильной колонны устанавливается забойный двигатель

Бурильная колонна, её назначение. Элементы бурильной колонны, их назначение

Бурильная колонна предназначена для подвода энергии (механической, гидравлической, электрической к долоту), обеспечения подачи бурового раствора к забою, создания осевой грузки на долото, восприятия реактивного момента долот забойного двигателя.

Ведущие трубы предназначены для передачи вращения от ротора к бурильным трубам. Бурильные трубы составляют основную часть колонны. При роторном бурении колонна бурильных труб служит для передачи вращения долоту и для подачи бурового раствора к забою скважины.

Бурильные замки соединяют между собой отдельные бурильные трубы. Переводники предназначены для соединения элементов бурильных колонн, имеющих разные размеры или разнотипные резьбы, а также для присоединения подсобных и ловильных инструментов к бурильным трубам. Центраторы бурильной колонны служат для предупреждения искривления ствола скважины при бурении забойными двигателями. Утяжеленные бурильные трубы, устанавливаемые непосредственно над долотом или забойным двигателем, создают необходимую жесткость в нижней части бурильной колонны и обеспечивают нагрузку на долото в заданных пределах.

Конструкция элементов бурильной колонны

Трубы бурильные ведущие представляют собой толстостенную трубу, имеющую в сечении квадратную, шестигранную или крестообразную форму с концентрично расположенным круглым или квадратным отверстием для прохода бурового раствора.

Наиболее распространены ведущие трубы с квадратным сечением. Шестигранные и крестообразные ведущие трубы применяются редко.

Ведущие трубы конструктивно выполняются в двух вариантах: сборными, составленными из трех деталей, и цельными.

Трубы бурильные ведущие (сборные), изготовляемые предпочтительно квадратного сечения, включают собственно трубу (штангу), верхний переводник (ПШВ) для соединения ведущей трубы с вертлюгом и нижний переводник (ПШН) для присоединения к бурильной колонне.

Свободный конец верхнего переводника для соединения с вертлюгом снабжен левой замковой резьбой; свободный конец нижнего переводника, предназначенный для соединения с бурильной колонной, имеет правую замковую резьбу.

Наиболее распространены ведущие трубы сборной конструкции вследствие простоты изготовления. Они выполняются в соответствии с ТУ 14-3-126-73 и нормалью Н 293-49 следующих размеров (по стороне квадрата): 65, 80, 115, 140 и 155 мм.

Наряду с ведущими трубами сборной конструкции промышленностью осваиваются цельнокатаные ведущие трубы. В этом случае конструкция предусматривает исключение резьбового соединения в местах присоединения верхнего и нижнего переводников с ведущей трубой.

Бурильные трубы. Бурильные трубы и соединительные муфты к ним изготовляются следующих размеров (условный наружный диаметр): 60, 73, 89, 102, 114, 127, 140 и 168 мм с толщиной стенок от 7 до 11 мм.

В настоящее время существует несколько разновидностей бурильных труб, различающихся по конструктивному исполнению:

Трубы с высаженными наружу концами и нарезанной на них крупной (замковой) резьбой (беззамковые раструбные трубы), предназначенные для использования при бурении с погружными забойными двигателями и в роторном бурении.

Замки для бурильных труб предназначаются для соединения в колонну бурильных труб. Они состоят из двух деталей: замкового ниппеля с наружной резьбой и замковой муфты с внутренней крупной резьбой. Посредством таких резьб указанные детали соединяются между собой. Для соединения с бурильными трубами на замковых деталях нарезана мелкая трубная резьба.

Замки каждого типа изготавливаются с правой или левой замковой резьбой для соединения с бурильной трубой.

Переводники для колонны бурильного инструмента представляют собой разновидность соединительных элементов бурильной колонны. Применяют 5 основных типов переводников. Их подразделяют на 2 группы:

Материалы, применяемые для изготовления элементов колонны бурильного инструмента

Материалами для изготовления элементов колонны бурильного инструмента являются конструкционные среднеуглеродистые и легированные стали. При изготовлении все элементы бурильной колонны должны подвергаться термической обработке для улучшения свойств материалов.

В последние годы стали широко применяться облегченные бурильные трубы из специальных сплавов. Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ), предназначенные для турбинного и роторного бурения, изготовляют из алюминиевого сплава с внутрь высаженными концами. На ЛБТ навинчиваются замки облегченной конструкции.

Источник

Бурильная колонна

Понятие и общая характеристика, назначение и условия работы бурильной колонны, ее внутренняя структура и основные элементы, направления и условия практического применения. Динамические нагрузки на бурильную колонну, определяющие долговечность двигателя.

1. Назначение и условия работы бурильной колонны

Связующим звеном между находящимся на поверхности буровым оборудованием и инструментом для разрушения породы является бурильная колонна. Она имеет многофункциональное назначение и может использоваться для:

1. направления ствола скважины;

2. создания нагрузки на долото и передачи ему вращательного движения;

3. восприятия крутящего момента при способе бурения забойными двигателями;

4. подачи бурового раствора в забой;

5. подъема и спуска забойных двигателей и долота;

6. исследования пластов и др.

7. проведения вспомогательных работ (проработка, расширка и промывка ствола скважины, ловильные работы и др.).

Из-за большой протяженности бурильной колонны, при любом способе бурения, разные ее участки испытывают различные нагрузки: сжатие, кручение, растяжение, давление, продольный и поперечный изгиб. Наибольшая нагрузка растяжения приходится на самую верхнюю трубу при подъеме колонны. При способе бурения с промывкой растягивающую нагрузку увеличивает поток жидкости внутри трубы. Жидкость в затрубном пространстве наоборот, снижает ее.

Трение о стенки скважины выступающих частей колонны, прилипание ее гладких частей к глинистой корке увеличивают силу трения. Не меньше сила сопротивления увеличивается за счет кривизны ствола скважины, резких сужений.

Динамические нагрузки на бурильную колонну, которые определяют долговечность и прочность забойного двигателя, долота и бурильной трубы, наиболее тяжело учитывать. На вал забойного двигателя, низ колонны и долото эти нагрузки давят вследствие взаимодействия долота и забоя. На дальние участки колонны динамические силы действуют в процессе пульсации давящего бурового раствора, работы долота и забойного двигателя.

Причиной поперечных, продольных и крутильных колебаний очень разнообразны. В ухабистых забоях возникают продольные низкочастотные колебания. А высокочастотные колебания малой амплитуды обусловлены перекатыванием шарошек долота, скачкообразным разрушением породы и т.п.

Требования, предъявляемые к бурильной колонне

Требования, предъявляемые к бурильной колонне, обусловлены технологическими особенностями способа бурения, которые определяют условия работы, а так же геологическими особенностями разреза скважины. Исходя из этого, разрабатывают рациональную конструкцию и подбирают наиболее подходящий материал для изготовления колонны.

В целом, колонна должна иметь минимальную массу и быть экономичной.

Изготавливают бурильную колонну из технологичных высокопрочных материалов, устойчивых к агрессивным средам и абразивному изнашиванию при трении.

двигатель бурильный колонна

Рис. 1 Бурильные трубы

2. Бурильная колонна, ее назначение и составные элементы

Рис. 2 Схема бурильной колонны

Состав бурильной колонны:

2. переводник вертлюга

3. верхний переводник бурильной трубы

5. нижний переводник ведущей трубы

6. предохранительный переводник

7. муфта бурильного замка

12. 13. утяжеленные бурильные трубы

14. Вспомогательные элементы:

3. Порядок расчета бурильной колонны

Бурильная колонна при бурении, проведения спускоподъемных и других операций находится в сложном напряженном состоянии, подвергаясь воздействию статических и динамических нагрузок, вызывающих растяжение, сжатие, продольный и поперечный изгиб, скручивание и др. С целью определения работоспособности элементов бурильной колонны и ее правильного конструирования производят специальные расчеты.

При роторном бурении на бурильную колонну действуют в основном следующие усилия:

1. осевое усилие растяжения от собственного веса колонны

2. при подъемке ее от забоя, когда наиболее опасное сечение находится в верхней части;

3. осевое усилие сжатия от веса колонны, когда наиболее опасное сечение находится в нижней части;

4. изгибающий момент, возникающий в результате действия центробежных сил;

5. крутящий момент, передаваемый колонной для разрушения горной породы на забое;

6. напряжение растяжения, вызванное прокачиванием раствора в колонне под давлением.

В зависимости от возникающих усилий рис. 2 опасным может являться верхнее сечение т-т в момент начала подъема (совместное действие растяжения от собственного веса и кручения); нижнее сечение п-п бурильных труб в месте резьбового соединения (совместное действие усилий сжатия и кручения).

Обсадные колонны рассчитывают на прочность согласно инструкции, разработанной ВНИИТнефти Наблюдения показали, что обсадные колонны разрушаются под действием избыточных внутренних и наружных давлений, а также собственного веса. Распространены повреждения обсадных колонн вследствие их протирания бурильными трубами при роторном бурении и нарушения герметичности резьбовых соединений.

Прочность обсадных колонн рассчитывается по следующим условиям:

Предельное внутреннее давление, характеризующее сопротивляемость трубы внутреннему давлению, определяется по давлению, при котором напряжения в меридиональном сечении трубы достигают предела текучести. Величина этого давления, зависящая от диаметра, толщины стенки и материала трубы, вычисляется по формуле

Сопротивление трубы внутреннему давлению возрастает с уменьшением диаметра и увеличением толщины стенки и прочности материала труб. Предельные внутренние давления обсадных труб, приводятся в справочниках по трубам нефтяного сортамента и в других литературных источниках

Подобные документы

Назначение, основные параметры, устройство роторов. Роторное бурение. Условия работы ротора влияют и изменения нагрузки на долото. Отечественные буровые установки. Упругие колебания. Вращение бурильной колонны. Преодоление сопротивления. Схема ротора.

доклад [401,8 K], добавлен 09.10.2008

Бурильные колонны, бурильные трубы и их соединения, типы переводников. Обсадные колонны, обсадные трубы и их соединения. Элементы технологической оснастки. Основы вскрытия и испытания продуктивных пластов. Профилактика и ремонт бурового оборудования.

отчет по практике [2,7 M], добавлен 11.01.2011

Устройство и принцип работы хлеборезательной машины МРХ-200, ее назначение и сферы практического применения. Мармиты стационарные электрические секционно-модулированные, их характеристика и общая схема, структура и основные элементы, использование.

контрольная работа [224,7 K], добавлен 07.06.2011

Назначение и описание колонны коробчатого сечения и основные условия на ее приемку и изготовление. Выбор способа сборки и сварки, технико-экономические обоснования. Оформление технологической документации на изготовление колонны коробчатого сечения.

курсовая работа [741,5 K], добавлен 07.01.2016

Агрегат ГПА-Ц-16: общая характеристика и техническое описание, назначение и сферы практического применения, структура и элементы. Воздухоочистительные устройства. Газотурбинный двигатель НК-16СТ. Система электрического запуска газотурбинного двигателя.

реферат [1,2 M], добавлен 22.02.2012

Назначение и применение вертлюга в бурении. Основные требования к механизму. Классификация вертлюгов, конструкция, основные параметры. Расчет бурильной колонны, оценка максимальной нагрузки на крюке по методике ВНИИБТ. Специфика эксплуатации вертлюга.

курсовая работа [1,4 M], добавлен 25.11.2011

Типовые статические нагрузки, уравнения движения электропривода. Составление кинематических схем. Механическая часть электропривода как объект управления, проектирования и исследования, динамические нагрузки. Условия работы механического оборудования.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 22.09.2009

Понятие автомобиля, его сущность и особенности внутреннего устройства. Классификация автомобильных двигателей, их виды и характеристика. Назначение, состав, устройство и условия работы кривошипно-шатунного механизма. Основные дефекты и их устранение.

курсовая работа [410,2 K], добавлен 02.04.2009

Токарно-винторезные станки: понятие и общая характеристика, сферы практического применения. Структура и основные узлы, принцип работы и технологические особенности. Анализ кинематики токарно-винторезного станка с ЧПУ модели 16К20Ф3, его назначение.

контрольная работа [481,5 K], добавлен 26.05.2015

Технологический расчет отбензинивающей колонны мощностью 6 млн т в год по нефти. Коэффициенты относительной летучести фракций. Состав дистиллята и остатков. Материальный баланс колонны. Температурный режим колонны. Расчёт доли отгона сырья на входе.

курсовая работа [366,8 K], добавлен 16.02.2015

Источник

Документы

ГЛАВА РАБОТА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Бурильная колонна представляет спущенную в скважину сборку из бурильных труб, предназначенную для подачи гидравлической и механической энергии к долоту, создания осевой нагрузки на долото, а также для управления траекторией бурящейся скважины.

Являясь совместно с долотом и забойным двигателем буровым инструментом, бурильная колонна выполняет следующие функции: передает вращение от ротора к долоту; воспринимает от забойных двигателей реактивные моменты; подает к забою промывочный агент; подводит гидравлическую мощность к долоту и погружному гидравлическому двигателю; вдавливает долото в горные породы на забое, действуя своей силой тяжести; обеспечивает замену долота и погружного двигателя посредством транспортирования их к забою или на дневную поверхность; позволяет вести аварийные и другие специальные работы в стволе скважины.

Бурильная колонна (рис. 5.1) включает следующие элементы: бурильные трубы; утяжеленные бурильные трубы; ведущую (рабочую) бурильную трубу; переводники; отклонитель; центраторы, протекторы и другую оснастку.

Бурильные трубы соединены друг с другом при помощи замков, которые состоят из муфты 5 и ниппеля 6, или муфты.

Нижняя часть бурильной колонны составлена из УБТ 10, которые со-

Рис. 5.1. Конструкция бурильной колонны:

5.1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Все элементы бурильной колонны постоянно находятся под действием различных по характеру сил:

осевой растягивающей нагрузки от собственного веса и перепада давления на долоте и в забойном двигателе;

осевой сжимающей нагрузки от собственного веса;

усилия, создающего изгибающий момент при вращении колонны;

усилия, создающего крутящийся момент, необходимый для вращения долота в процессе бурения;

усилия реактивного момента забойного двигателя;

силы от действия гидравлического давления бурового раствора в осевом и радиальном направлениях;

сил трения о стенки скважины и обсадной колонны;

осевых нагрузок, возникающих при затяжках и посадках бурильной колонны;

инерционных сил при спускоподъемных операциях; изгибающих усилий в интервалах искривления ствола скважины; изгибающих усилий при морском бурении из-за перемещений бурового судна;

усилий от продольных, поперечных и крутильных колебаний из-за неуравновешенности вращающейся бурильной колонны, неустойчивости работы забойного двигателя и неоднородности разбуриваемых пород.

Характер действующих на бурильную колонну сил переменный как по длине, так и во времени. Поэтому практически задачи о напряжениях целесообразно решать лишь для предельных, наиболее опасных случаев с целью выработки конкретных рекомендаций об ограничивающих критических параметрах процессов, гарантирующих безаварийную длительную работу качественной бурильной колонны.

Особенностью работы бурильной колонны является то, что она подобно длинному тонкому стержню, подверженному воздействию продольных, поперечных сил и крутящего момента, теряет устойчивость прямолинейной формы равновесия.

Действующие на колонну растягивающие осевые силы увеличивают длину полуволны и шаг спирали. Сжимающие осевые силы, наоборот, уменьшают длину полуволны и шаг спирали. Шаг спирали обычно существенно больше длины полуволны, так как крутящий момент незначительно влияет на форму искривления.

Потеря прямолинейной формы равновесия бурильной колонны может привести к значительным ее деформациям, но в условиях скважины значение деформации ограничено стенками скважины, что позволяет вести бурение при искривленной форме равновесия бурильной колонны.

Промысловые материалы убеждают, что соприкосновение изогнутой бурильной колонны со стенками скважины при вращении происходит, как правило, в местах установки замков. Такая форма изгиба объясняется тем, что жесткость замков в несколько раз больше жесткости бурильных труб, и это в значительной степени предопределяет положение мест перегиба оси изогнутой бурильной колонны. Бурильные замки и трубы, соприкасаясь со стенками скважины или обсадной колонны, истираются. В практике бурения отмечается как равномерный, так и односторонний износ замков и труб по наружной поверхности, что может быть объяснено характером вращения колонны в скважине. При вращении изогнутой колонны вокруг оси скважины происходит преимущественно односторонний износ замков и труб. Изгиб колонны в этом случае может быть следствием осевых сжимающих усилий, центробежных сил или крутящего момента. Равномерный износ поверхности замка или трубы происходит при вращении бурильной колонны вокруг собственной оси. Такое вращение возможно при значительном трении колонны о стенку скважины, когда вращение вокруг оси скважины полностью прекращается, а возможность вращения вокруг собственной оси сохраняется.

Вращение изогнутой под действием центробежных сил бурильной колонны вокруг оси скважины не должно приводить к изменению знака напряжения (рис. 5.2). Полуволна abc после поворота колонны на 180° заняла положение ab’c без изменения знака кривизны, а следовательно, и напряжения. Однако такое представление идеализировано. На самом деле при числах оборотов, близких к критическим, которые зависят от длины колонны и формы равновесия, при вращении колонны будут наблюдаться удары труб о стенки скважины с возможным изменением знака их кривизны. По этой же причине могут возникнуть и дополнительные воздейст-

Рис. 5.2. Схема действия на бурильную колонну центробежных сил и крутящего момента

вия на колонну различных импульсов продольных и поперечных колебаний.

Возникновению переменных напряжений в бурильной колонне способствует эксцентричное расположение труб в скважине, так как в этом случае при вращении колонны значение прогиба f полуволны, возникшей под действием центробежных сил, изменяется от f_max до f_min (см. рис. 5.2). При этом варьируют значения изгибающих напряжений за время одного оборота, что сопровождается ударами труб о стенку скважины с возможным изменением знака их кривизны. Аналогичные явления будут происходить, если в колонне имеется кривой элемент или резьбы труб несоосны. При значительном трении труб о стенки скважины может происходить их качение по стенке, сопровождающееся знакопеременным изгибом.

Если бурильная колонна вращается вокруг собственной оси, то имеют место знакопеременные изгибающие напряжения.

Реальная форма изгиба бурильной колонны достаточно сложная и изменяется для различных ее участков в зависимости от скорости вращения, действующих сил, расположения в скважине и т.д. Очевидно, что форма изгиба будет та, которая требует наименьшей затраты энергии.

При определенных условиях, когда частота собственных колебаний бурильной колонны совпадает с частотой колебаний возмущающих сил, зависящих от типа долота, скорости его вращения, осевой нагрузки, пульсации потока бурового промывочного раствора и других факторов, может возникнуть явление резонанса.

Использование в нижней части колонны УБТ разгружает ее от осевых сжимающих сил, однако это не исключает наибольшего изгиба бурильной колонны выше УБТ.

Характер нагрузок на бурильную колонну изменяется по глубине: вблизи устья действуют главным образом постоянные, а в призабойной зоне преобладают переменные нагрузки. Они зависят также от способа бурения: при турбинном бурении вследствие неподвижности бурильной колонны отсутствуют переменные напряжения изгиба, которые обычно являются причиной усталостных поломок труб и замков в роторном бурении, а при роторном бурении с увеличением глубины скважины возрастают потери мощности на холостое вращение и крутящий момент, необходимый для вращения колонны. С ростом длины колонны возрастает ее инерционность. Сопротивление разрушаемой на забое породы долоту может преодолеваться не только крутящим моментом от ротора, но и благодаря кинетической энергии самой бурильной колонны. При внезапной остановке долота кинетическая энергия колонны переходит в потенциальную энергию закрученной пружины, что может вызвать значительное увеличение касательных напряжений, особенно в нижних трубах колонны. Когда же совместным действием ротора и пружины-колонны преодолевается заклинивание долота, то происходит обратный процесс перехода потенциальной энергии в кинетическую, что может вызвать в бурильной колонне колебательные явления. Инерционный эффект вала турбобура в турбинном бурении незначительный, так что бурильная колонна находится в более благоприятных рабочих условиях. Это отражает и статистика бурения скважин: при роторном бурении замки, бурильные трубы и обсадные колонны изнашиваются в значительно большей степени, чем при турбинном.

5.2. УСТОЙЧИВОСТЬ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Подверженная воздействию различных усилий бурильная колонна в процессе работы теряет устойчивость прямолинейной формы равновесия. Неустойчивой называется такая форма равновесия, когда при малом отклонении от положения равновесия, система, представленная самой себе, не возвращается в исходное положение силами упругости.

Потеря устойчивости наступает тогда, когда нагрузки, действующие на колонну, достигают критических значений. Для определения критической нагрузки достаточно найти нагрузку, при которой система не возвращается в исходное положение при сколько угодно малом, но конечном отклонении от этого положения.

Если на систему действует нагрузка, превышающая критическую, то возникают значительные деформации и в ряде случаев система переходит из исходной формы равновесия в новую изогнутую форму устойчивого равновесия, соответствующую минимуму потенциальной энергии системы. Если отклонить систему от положения устойчивого равновесия, то для поддержания ее потребуется дополнительная энергия.

Для определения значения критических нагрузок упругих систем, материал которых следует закону Гука, существует ряд методов, из которых наибольшее распространение получили два: метод интегрирования дифференциальных уравнений нейтрального равновесия и энергетический метод.

При первом методе применительно к бурильной колонне составляют уравнение упругой линии стержня, получившего малое отклонение от положения равновесия, и определяют граничные условия, при которых это отклонение возможно. Интегрированием дифференциального уравнения упругой линии и подчинением общего интеграла граничным условиям вычисляют наименьшую критическую нагрузку.

При втором методе уравнения равновесия составляют не в дифференциальной форме, а в форме вариационных уравнений на основании начала возможных перемещений. Одной из разновидностей этого метода является приближенный метод, разработанный С.И. Тимошенко. Критические нагрузки этим методом определяются сравнением потенциальной энергии изогнутого стержня с работой внешних сил. Если потенциальная энергия изогнутого стержня меньше работы внешних сил, то устойчивой будет изогнутая форма. Так как при равенстве обеих энергий будет безразличное равновесие, то с учетом этого равенства определяют критическую силу.

Чтобы вычислить потенциальную энергию деформированного стержня и определить работу внешних сил, необходимо знать уравнение упругой линии. Поэтому согласно указанному методу следует предварительно выбрать такое уравнение, которое удовлетворяло бы граничным условиям.

Решения энергетическим методом обычно мало отличаются от точных решений, что объясняется незначительным искривлением стержней в рассматриваемых случаях. Если выбранное уравнение упругой линии в точности соответствует уравнению, полученному методом интегрирования, то результаты по двум методам будут одинаковыми.

В общем случае следует рассмотреть устойчивость длинного тонкого весомого стержня, подверженного одновременно воздействию осевых, центробежных, скручивающих и гидравлических сил. Кроме указанных сил, на устойчивость колонны будут влиять силы трения, кривизна скважины, наличие бурильных замков и другие факторы.

Чтобы упростить задачу, А.Е. Сароян рассмотрел устойчивость длинного стержня в вертикальной скважине, находящегося под действием каждой из указанной выше сил, а также в различном их сочетании.

Такой подход к решению задачи устойчивости бурильной колонны позволил рассмотреть разные случаи работы колонны в скважине. Так, например, исследование продольной устойчивости под действием осевых сил позволяет представить работу низа бурильной колонны, создающего нагрузку на долото.

Одновременное воздействие осевых сил и крутящего момента на устойчивость бурильной колонны может в основном характеризовать устойчивость бурильной колонны в турбинном бурении и при работе электробуром. В этом случае в нижней части колонны будут действовать осевые сжимающие силы и крутящий (реактивный) момент забойного двигателя, а в остальной части колонны осевые растягивающие силы и крутящий (реактивный) момент.

Влияние момента на устойчивость колонны будет снижаться с уменьшением его значения, т.е. в направлении от забоя к устью.

При вращении колонны теоретическое рассмотрение задачи устойчивости бурильной колонны при одновременном воздействии центробежных, осевых сил и крутящего момента значительно осложняется. Поэтому для упрощения задачи обычно рассматривается искривление колонны не в пространстве, а в плоскости от действия центробежных и осевых сил. Что касается крутящегося момента, приводящего во вращение колонну и придающего в основном плоскоизогнутой колонне форму пространственной спирали большого шага, то его влиянием пренебрегают. Это допустимо, так как искривление колонны от центробежных и осевых сил имеет большее влияние на работу колонны, чем искривление от крутящего момента.

На устойчивость колонны влияют также гидростатические силы, к которым относятся внутреннее давление в бурильной колонне и внешнее давление, создаваемое столбом промывочной жидкости. Рассмотрение вопросов, связанных с влиянием гидростатических сил и скорости движения промывочной жидкости на устойчивость колонн, позволяет выявить возможные искривления бурильных колонн в процессе спускоподъемных операций, прокачивания промывочной жидкости и др.

УСТОЙЧИВОСТЬ В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ НАГРУЖЕНИЯ

Для общего случая нагружения критическая нагрузка от собственного веса с учетом перепада давления и скорости движения бурового

Критическая частота вращения колонны для общего случая нагружения

С ростом скорости движения и давления бурового раствора длина полуволны уменьшается.

Разность в длинах полуволн, определенных по формуле (5.2), увеличивается с приближением к устью скважины.

5.3. НАПРЯЖЕНИЯ И НАГРУЗКИ В ТРУБАХ

РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

Статические напряжения. В вертикальной скважине осевые а (в Н/м 2 ) напряжения в подвешенной в жидкости колонне определяются из выражения

Из (5.3) следует, что при 1_х/1_б (О б + О т + G)g (1 -Y ж/ y) _; (5 4)

для колонны в подвешенном состоянии в процессе движения бурового раствора

С учетом упрощения выражения (5.5) ст_р (в Па) определяется из выражения

Если колонна составлена из труб с разными материалами (легкосплавные и стальные), то ст_р (в Па) определяется по формуле

Наибольшее сжимающее напряжение в подвешенной колонне будет при отсутствии перепада давления в сечении l_x = 0 при условии (О_т + + G)(1- уж/у) а д

Если на рассматриваемом участке колонна состоит из нескольких секций, то Р_н и Р_и определяют для каждой секции, а затем их суммируют. Силы сопротивления колонны для разных случаев рассмотрены М.М. Александровым.

Если Р_н, Р_и, Р_т меньше собственного веса колонны на рассматриваемых участках, то при расчете по формуле (5.10) эта сумма принимается равной весу бурильной колонны.

Динамические напряжения. В процессе торможения бурильной колонны при спускоподъемных операциях возникают инерционные силы, связанные с изменением скорости движения колонны. Наибольшие напряжения а у устья скважины с учетом динамических напряжений можно оценить по формуле

Касательные напряжения в трубах действуют по всей длине бурильной колонны. Неравномерная подача энергии и неравномерное ее поглощение колонной приводит к изменению крутящего момента в процессе вращения, что, в свою очередь, влечет за собой ускорение и замедление вращения и, как следствие, возникновение колебаний колонны. На бурильную колонну передаются как постоянные, так и переменные моменты. Среднее значение крутящего момента

Мощность (в кВт), расходуемая на холостое вращение стальных труб в вертикальной скважине,

Мощность (в кВт), расходуемая на вращение колонны на изогнутом участке,

Мощность (в кВт), расходуемая на разрушение породы (формула предложена фирмой «Юз», США),

Касательные напряжения (в Н/м 2 ) в колонне

Для ведущих труб касательные напряжения определяют в зависимости

от формы сечения труб. Для ведущих труб квадратного сечения наибольшие напряжения (в Па) действуют на наружной поверхности трубы в середине квадрата (формула Г.М. Саркисова и Ю.А. Амен-заде)

Динамические нагрузки возникают при заклинивании долота и остановке конца бурильной колонны. Примерное значение динамического напряжения (в Н/м 2 ) можно оценить по формуле

Изгибающие напряжения в бурильных трубах возникают и в вертикальной, и в наклонно направленной скважинах и связаны с вращением колонны, сжатием колонны усилием, превышающим критическое значение, а также с искривлением ствола скважины и искривлением бурильной колонны при бурении с плавучих средств, связанным с перемещением судна и др.

В зависимости от условий работы бурильная колонна может вращаться вокруг собственной оси или вокруг оси скважины. Характер вращения определяется затрачиваемой при этом энергией.

Изгибающие напряжения в вертикальной скважине рассчитывают из выражений:

постоянное напряжение а_ш = n 2 EIf/L 2 W или а_ш =2а_а. (5.24)

Изгибающие напряжения при вращении колонны на искривленных участках

Если колонна не вращается, то изгибающие напряжения постоянны и рассчитываются по формуле

Радиус искривления скважины

НАПРЯЖЕНИЕ В ТРУБАХ, ПОДВЕШЕННЫХ В КЛИНОВОМ ЗАХВАТЕ

Осевую нагрузку О (вес колонны О_к, кН), при которой напряжения в теле трубы достигнут предела текучести, определяют из выражения

Коэффициент / х V3m-T

Предельные нагрузки (в кН) для бурильных труб

Источник