Условия работы бурильной колонны в скважине

 

Условия работы бурильной колонны зависят от весьма разнообразных факторов, наиболее существенные из которых следующие:

1. величина и характер действующих нагрузок; их сочетание определяет сложное напряженное состояние материала труб (некоторые из действующих нагрузок не поддаются определению с достаточной точностью);
2. наличие мест концентрации напряжений (резьбовое соединение; сочленение элементов бурильной колонны различной жесткости, например замка с бурильной трубой, бурильной трубы с УБТ и т.п.);
3. 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;
4. 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;
5. 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 Продольное усилие сжатия в нижней части бурильной колонны, разгруженной на забой Осевые динамические (инерционные) нагрузки, возникающие при проведении СПО Дополнительные осевые нагрузки, необходимые для преодоления местных сопротивлений и сил трения при подъеме бурильной колонны и для освобождения прихваченного инструмента
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.