Назначение бурильной колонны

Дата публикации: 16.11.2013

Бурильная колонна представляет собой связующее звено между буровым оборудованием, расположенным на поверхности, а также породоразрушающим инструментом. Она, кстати, предназначена еще для передачи вращения долоту во время роторного бурения и непосредственно реактивного крутящего момента во время бурения забойными двигателями. Это необходимо для создания осевой нагрузки непосредственно на долоте и направления самого ствола скважины, а также для подачи на забой такого же бурового раствора, кроме того, для выполнения ряда некоторых технологических операций, то есть спуска и подъема долота, а также забойных двигателей, ликвидации осложнений или аварий в скважине, плюс ко всему, исследования пластов, а также установки цементных мостов и другого.

С переменой критериев и методов бурения артезианских скважин, а также совершенствованием техники или технологии бурения некоторые из ее функций отпадают, плюс ко всему, обнаруживаются иные дополнительные специальные функции. Так, во время колонкового бурения со съемной грунтоноской сама бурильная колонна работает каналом, по коему и поднимается грунтовозка с кернами на дневную плоскость, а во время бурения электробурами, хотя кабелю, смонтированному изнутри труб, и подается электричество к забойным движкам. Во время бурения скважин с помощью электробуров, которые спускаются в скважину на кабелях-канатах, осуществляется лишь только местная циркуляция жидкости, которая не требует создания гидравлического канала непосредственно от устья до забоя, тогда как реактивный момент воспринимается вращающимся корпусом периодически во время реверсирующего электробура. Во время бурения на шлангокабеле осевая нагрузка, применяемая на долото, может также быть создана специальными гидравлическими механизмами. Если же используются вставные долота, то бурильная колонна считается каналом, по которому и полаются вставные долота. Кроме того, в отдельных случаях во время затруднений с транспортировкой труб, а также осложнениях в скважине или авариях бурильная колонна может еще использоваться как обсадная. К бурильным колоннам предъявляется ряд требований, которые определяются условиями ее работы или технологическими особенностями процесса бурения. Кстати, изучение условий ее работы непосредственно с учетом некоторых технологических особенностей процесса бурения также позволяет сформулировать требования к некоторым ее составным элементам, или разработать наиболее рациональные их конструкции и подобрать все подходящие материалы непосредственно для их изготовления. Также можно рассчитать для конкретных случаев еще и компоновку бурильной колонны или выработать во времени основные принципы ее рациональной эксплуатации. Еще, во время всех способов бурения, некоторые участки колонны представляют собой следствие ее большой протяженности, плюс ко всему, подвергаются действию различных, в основном, динамических нагрузок, среди которых растяжение, сжатие, кручение, продольный и поперечный изгиб, внутреннее и наружное давление. Наибольшая растягивающая нагрузка во времени приложена непосредственно к самой верхней трубе с учетом подъема колонны, которая применяется для случая бурения вертикальной скважины.

Стоит отметить, что силы сопротивления обусловлены еще и трением о стенки скважины и еще прилипанием к глинистым коркам гладких участков колонны, а также, что более существенно, дополнительным воздействием выступающих частей (то есть, муфт, замков) самой колонны на упорные стенки скважины (здесь подразумевается механическое внедрение в глинистые корки и породы, стенки скважины, и последующее срезание их с дополнительным образованием сальников). Силы сопротивления будут значительно возрастать также и в местах резких сужений, различных частых изгибов самого ствола скважины или в желобах. Кроме того, они еще часто являются причиной появления затяжек инструмента. Особенно большие растягивающие нагрузки, достигающие одного МПА и более, приходятся к приложению колонны во время освобождения ее от затяжек или прихватов, которые считаются следствием обвалов стенок скважин, а также образования шламовых пробок, плюс ко всему, результатов одностороннего прижатия колонн к стойкам под действием дифференциального давления (то есть, разности давлений в самой скважине или в пласте). Инерционные силы во время подъема и спуска колонны обычно невелики. Кроме того, нередко бурильную колонну поднимают, при этом, не прекращая циркуляции жидкости (с дополнительной промывкой) и вращения. Потоки жидкости внутри труб увеличивают растягивающую нагрузку на колонну, тогда как подъем жидкости в затрубных пространствах снижает ее. Однако с учетом существующих соотношений размеров труб происходит снижение нагрузки, которое во много раз меньше, нежели гидравлическая нагрузка, обусловливаемая потерями или перепадами напора в трубах. Другими словами, циркуляция жидкости создаёт еще дополнительную гидравлическую нагрузку на колонны. Вращение колонны всегда усиливает и напряженное состояние труб вследствие акцентированного действия крутящего момента или центробежных сил. При создании нагрузок на долото частью веса бурильных колонн станет ее нижняя часть, которая будет сжата, тогда как верхняя растянута, поэтому сжимающие нагрузки действуют в самых низких сечениях, а наибольшие растягивающие — в самых верхних сечениях колонны. На определенном расстоянии от забоя также располагается нейтральное (конечно же, условно) сечение. При этом, сжимающие нагрузки на сами трубы во время бурения забойными двигателями обычно будут составлять 0,1 —0.2 МН. причем наибольшие крутящие моменты будут приложены к нижним сечениям колонны. Во время роторного бурения вследствие вращения всей колонны, а также трения ее о стенки самой скважины или о буровой раствор лишь часть крутящего момента сможет достичь забоя. Другими словами, наибольшие крутящие моменты будут применяться в верхнем сечении колонны.

Во время одновременного действия осевой нагрузки крутящего момента сама колонна получает сложную пространственную, а также изогнутую форму равновесия — то есть, форму цилиндрической винтовой пружины, кстати, с большим шагом с учетом небольшого диаметра (равного диаметру скважины). От данного нейтрального сечения к забоям шаг пружины будет уменьшаться. Следует также отметить, что с учетом создания большой нагрузки на долото напряжение сжатия в трубах будет сравнительно невелико и обычно придется во много раз ниже основного предела текучести материала труб. Правда, определяющую роль играет еще продольный изгиб сжатого низа самой колонны. Под действием сравнительно маленькой сжимающей нагрузки, которая называется первой критической нагрузкой, весь низ колонны, имеющий длину в несколько десятков метров, потеряет продольную устойчивость или изогнется, образуя при этом одну полуволну сжатия. Во время дальнейшего увеличения нагрузки данный участок колонны, за счет ограничивающего действия стенок скважины не получит какого-либо существенного радиального перемещения. Правда, если будут достигнуты при этом последовательно вторая или третья и т. д. все критические нагрузки, то низ колонны сможет скачком изменить свои изогнутые формы равновесия, образуя вместо одной потенциальной полуволны две, три или. Если же напротив продольно изогнутого участка самой колонны имеются каверны, то тогда колонна, не встретив каких либо ограничивающих сопротивлений стенок скважины, приобретёт большие радиальные перемещения, которые резко повысят напряжения непосредственно от продольного изгиба. Во время увеличения стрелы прогиба также повышается кривизна труб, и возрастают нормальные давления труб на стенки скважины, плюс ко всему, затраты мощности на вращение. Стоит также отметить, что ускоряется изнашивание труб или может произойти раскрытие некоторых упорных торцов замковых деталей или нарушение герметичности, а также расстройство резьбовых соединений.

Кроме того, кривизна труб скачками увеличивается с учетом всего и во время образования каждой последующей полуволны сжатия. Самый нижний участок колонны будет задавать направление ствола скважины, и, следовательно, если бурить во время искривленного низа колонны, ствол скважины сможет изменить свое направление. Подобное свойство искривленного низа колонны на данном этапе времени успешно используется непосредственно для управления направлениями ствола (то есть наборами угла кривизны). Это необходимо во время наклонно-направленного бурения, выправления уже искривленного ствола, плюс ко всему, во время проводки вертикальных скважин с учетом всех закономерностей естественного искривления ствола непосредственно в наклонно залегающих, или анизотропных породах. Правда, неуправляемое искривление низа колонны представляет собой серьезную помеху во время бурения вследствие самопроизвольного искривления ствола.

Довольно большой изгиб с образованием дополнительных сильно искривлённых полуволн сжатия может получить низ колонны, который будет составлен лишь из бурильных труб самого малого диаметра с малыми жесткостями. Если все нагрузки на долото можно создавать лишь весом своих бурильных труб, то развивающиеся изгибающие напряжения могут также достичь значительных величин, при этом, против каверн, которые представляют опасность для целостности труб, ко всему прочему, герметичности резьбовых соединении. Следовательно, следует увеличить продольную жесткость низов колонны путем резкого увеличения общего диаметра или толщины стенок труб, представленных на этом участке. Подобные трубы получили название так называемых утяжеленных бурильных труб. В искривленных стволах скважины бурильная колонна может подвергнуться поперечному изгибу, который вызовет изгибающие напряжения.

Кроме того, наиболее трудно поддаются учетам и расчетам динамические нагрузки, которые определяют прочность и долговечность всех бурильных труб, а также УБТ, забойных двигателей или долот. Динамические нагрузки непосредственно на долото, вал самого забойного двигателя и непосредственно низ колонны обусловлены дополнительным динамическим взаимодействием долота с учетом забоя. Удаленные участки колонны также испытывают в основном все динамические нагрузки, которые обуславливаются колебательными процессами, возникающими во время работы долота, забойного двигателя, а также с помощью пульсации давления бурового раствора. Подобное многообразие причин одновременно порождает продольные, а также крутильные, поперечные колебания, кроме того автоколебания различных частот и амплитуд. Низкочастотные (только несколько герц) продольные колебания сравнительно большой амплитуды возникают также вследствие ухабистости забоя или колебаний давления в нагнетательных системах во время работы поршневых буровых насосов, а также разновысокости шарошек, тогда высокочастотные (100 Гц и выше) колебания малой амплитуды могут быть обусловлены скачкообразным хрупким разрушением забоя, а также перекатыванием шарошек долота и многим другим.

Продольные колебания, в частности колебания большой амплитуды, могут привести к изменению осевых нагрузок на долото или связанного с ней дополнительного крутящего момента, что, кстати, вызывает дополнительные крутильные колебания. Последние могут возникать во время заклиниваний долота в результате осуществляемых биений шарошек, переменного сопротивления самого вращения долота, подклинивания опор шарошек. Причем, неодинаковое сопротивление разрушению породы металлическими зубьями, шарошками, а также различное их проскальзывание непосредственно по забою может привести к появлению поперечных сил, которые уведут долото в сторону. Возникают косые удары, вызывающие поперечные колебания. Переменные моменты сопротивления вращения долота при бурении скважин на воду в Московской области приводят к возникновению различных крутильных автоколебаний колонны. При этом, колебания долота, а также турбобура во время распространения вверх частично могут отражаться от различных расширений или сужений (сюда относят УБТ, муфты, замки, трубы) непосредственно по длине колонны. Кроме того, они частично проходят дальше, с поглощением колонны и стенками скважины, дополнительной глинистой коркой, а также буровым раствором, тогда как во время большой глубины бурения (>1000—1500 м) они полностью гасятся, практически не доходя до поверхности. С учетом небольшой глубины, достигнув устья, они могут вызвать колебания наземного оборудования или вышки. Колебания одного вила, которые возникнут от различных источников, плюс ко всему, колебания различных видов, которые возбуждаются одним и тем же существующим источником, во время совпадения с главными частотами, а также с учетом близких значений определенных гармоник непосредственно из спектра частот могут усиливать друг друга. Следовательно, в результате чего и возможны, хотя хоть кратковременные, резонансные или же близкие к резонансу явления, с учетом которых могут резко возрасти существующие динамические нагрузки. Продольные, а также крутильные, поперечные колебания, или автоколебания, плюс ко всему, отраженные колебания накладываются непосредственно друг на друга, причем, в результате чего данная бурильная колонна совершает сложные колебательные движения, с которыми можно ознакомиться на сайте semireche.ru.

Колебательные процессы играют в процессе двоякую роль. Конечно, с одной стороны, существуют упорядоченные колебания, которые повышая динамичность работы долота, могут интенсифицировать процесс разрушения пород или способствовать повышению механической скорости бурения. Кстати, на этом и было основано существующее с недавних пор применение ударно-вращательного способа бурения, а также использование различного рода маховиков, кроме того, волноводов и резонаторов. Стоит отметить, что колебания вызывают еще расшатывание узлов или деталей забойного двигателя, а также долота, плюс ко всему, развивают усталостные явления, в частности в резьбах — другими словами, концентраторах напряжений, что в итоге приводит к преждевременному износу или выходу их из строя. Следовательно, в компоновке низа колонны, особенно за последние годы, были включены различные амортизирующие устройства, которые способны значительно снижать амплитуды динамических осевых или моментных нагрузок. При этом, значительные перегрузки будет испытывать колонна и во время заклиниваний долота. Так как от этих факторов и будет зависеть цена бурения артезианской скважины.

Назначение бурильной колонны Назначение бурильной колонны

Похожие записи: