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.