Условия работы бурильной колонны зависят
от весьма разнообразных факторов, наиболее существенные из которых следующие:
- величина и характер действующих нагрузок; их сочетание определяет сложное напряженное состояние материала труб (некоторые из действующих нагрузок не поддаются определению с достаточной точностью);
- наличие мест концентрации напряжений (резьбовое соединение; сочленение элементов бурильной колонны различной жесткости, например замка с бурильной трубой, бурильной трубы с УБТ и т.п.);
- коррозионное воздействие среды, в которой находится бурильная колонна (рН среды, электрический потенциал, вредные примеси в буровом растворе, температура); коррозионное воздействие влечет ухудшение показателей прочности материала труб и других элементов бурильной колонны;
- абразивное воздействие на бурильную колонну стенок скважины и твердых частиц, находящихся в циркулирующем буровом растворе: оно приводит к износу элементов бурильной колонны и соответственно к изменению их конструктивных размеров, что, в свою очередь, обусловливает рост напряжений при неизменной действующей нагрузке;
- возникновение колебательных процессов и резонансных явлений в бурильной колонне.
Величины и характер нагрузок, действующих
на колонну, зависят от способа бурения, траектории и состояния скважины,
применяемых режимов бурения, технического состояния наземного оборудования,
оснащенности его средствами механизации, автоматизации и контроля, а также от
квалификации бурового персонала.
В процессе бурения бурильная колонна
подвергается действию статических, динамических и переменных (в том числе
циклических) нагрузок. Характер действующих нагрузок и их распределение по
колонне в значительной степени определяются способом бурения.
Номенклатура основных нагрузок на
бурильную колонну приведена в табл.
Таблица
Основные нагрузки на бурильную колонну
Вид нагрузки |
|
Роторное бурение |
Бурение с забойным двигателем |
Осевая нагрузка растяжения от собственного
веса бурильной колонны. подвешенной в скважине, и перепада давления в долоте |
|
Дополнительные переменные изгибающие
нагрузки, возникающие при вращении бурильной колонны |
Дополнительная осевая нагрузка
растяжения в подвешенной колонне от перепада давления в турбобуре |
Крутящий момент, необходимый для вращения
инструмента в скважине и подвода мощности к долоту |
Реактивный момент, воспринимаемый бурильной
колонной при работе забойного двигателя |
Изгибающий знакопеременный момент при
вращении бурильной колонны в искривленном стволе скважины |
Статический изгибающий момент при размещении
бурильной колонны в искривленном стволе скважины |
Кроме того, в процессе бурения возникают крутильные колебания бурильной колонны и по ней проходят упругие волны.
Как показано П.В. Балицким, к основным факторам, вызывающим появление упругих волн в колонне, можно отнести перекатывание шарошек долота с одного опорного зубца на другой, работу шарошек на ухабообразном забое и неравномерность подачи жидкости буровыми насосами.
Как дополнительные факторы рассматриваются кратковременные перегрузки долота в результате неравномерной подачи бурильной колонны по мере проходки ствола, неоднородность разбуриваемых пород и др.
Частота вынужденных колебаний бурильной колонны зависит от источника
возмущающей силы: от перекатывания шарошки с зубца на зубец возникают упругие
волны с основной частотой около 100–150
Гц, от перекатывания по ухабам забоя – с
частотой 15–50 Гц, от работы бурового
насоса – 0,9–1,0 Гц. Влияние пульсации
промывочной жидкости на характер продольных колебаний бурильной колонны
отмечается и в трудах А.Е. Сарояна. По его данным, амплитуда продольных
низкочастотных колебаний может достигать 5–10
мм.
В результате наложений крутильных
колебаний крутящий момент в бурильной колонне становится переменным. По данным
забойных измерений, изменение его величины составляет до 15–30% от среднего значения, а угловая амплитуда колебаний низа
бурильной колонны может составлять ± (5–10)°.
Основная частота крутильных колебаний равна 5–
15 Гц.
Колебательные процессы в бурильной колонне
могут быть установившимися или неустановившимися в зависимости от характера
возмущающей силы (периодический или случайный).
На амплитуду и частоту колебаний
существенно влияют материал, из которого изготовлены бурильные трубы,
демпфирующее воздействие жидкости, заполняющей скважину, и сила трения колонны
о стенки скважины. По данным Тюменского индустриального института, при длине
колонны 1280– 1480 м амплитуда продольных
колебаний легкосплавных труб в 2–6 раз
меньше, чем стальных в аналогичных условиях.
Когда приступают к выбору бурильных труб и
проектированию бурильной колонны для конкретной скважины, из всего многообразия
нагрузок выделяют наиболее значительные по величине и наиболее опасные и их
принимают за расчетные. Действие остальных, второстепенных нагрузок учитывают
поправочными коэффициентами или коэффициентами запаса прочности.