Нагрузки на бурильную колонну от внутреннего и наружного избыточных давлений

В процессе бурения и особенно выполнения некоторых видов работ в скважине: продавливании шламовых пробок, восстановлении циркуляции бурового раствора путем вымывания обвалившихся пород из КП скважины, исследовании пластов методом закачек жидкостей в пласты, закачивании высоковязких тампонирующих смесей или паст в зону поглощений и т. д. в бурильной колонне создается высокое внутреннее давление. Если давление в трубах Р_в  больше, чем за ними Р_н, то говорят о внутреннем избыточном давлении Р_ви. Оно вызывает в материале труб нормальные окружные напряжения, стремящиеся разорвать трубу.

Для произвольной глубины z  внутреннее избыточное давление равно

             ,                      (6.108)

где - давление на устье:

     и - потери давления на единице длины в трубах и за ними.

Из (6.108) видно, что наибольшее Р_ви имеет место при z =0, т.е. на устье .

При выполнении некоторых технологических операций, например, при испытании пластов и вызове притока жидкости в скважину путем частичного или полного опорожнения бурильной колонны, секционном спуске частей обсадной колонны на бурильных трубах,- наружное давление становится больше внутреннего. Тогда колонна подвергается наружному избыточному давлению Р_ни., которое может быть найдено по формуле

                      ,                                  (6.109)

где  и  - плотность жидкости в трубах и за ними;

  - глубина опорожнения колонны.

Если Р_ни.> P _кр, где P _кр – критическое (сминающее) давление, то может произойти смятие колонны. Величина P _кр может быть рассчитана по формуле Саркисова - Еременко, но можно воспользоваться табулированными значениями P _кр, которые приведены, например, в [1].

 

Динамические нагрузки на бурильную колонну

 

Все виды нагрузок, действующих на бурильную колонну, до сих пор рассматривались в статической постановке. В действительности же и про-цесс механического бурения, и все сопутствующие ему технологические процессы по своей природе являются динамическими. Это означает, что любая из нагрузок имеет, помимо статической, также динамическую составляющую. Несмотря на то, что их средние значения обычно составляют лишь небольшую часть от статической, в ряде случаев они могут играть ршающую роль.

В процессе механического бурения основными причинами возникно-вения динамических нагрузок являются:

– динамический характер разрушения горных пород;

– переменное сопротивление горных пород разрушению, обусловленное их неоднородностью по прочностным и пластическим свойствам;

– встреча долота со случайными включениями с резко отличающимися свойствами в сравнении со свойствами основного массива пород;

– неплавная подача бурильного инструмента в процессе бурения;

– пульсация давления жидкости при работе поршневых буровых насосов. Все эти причины неизбежно сопровождают процесс бурения долотами

любой конструкции и при любом способе вращения долота. Причем вклад каждого из перечисленных факторов в динамическую составляющую об-щей нагрузки далеко не одинаков и не постоянен и зависит, в свою очередь, от сочетания причин, порождающих динамичность.

Наиболее трудно поддающимися расчету нагрузками, значительно влияющими на прочность и долговечность всех элементов бурильной ко-лонны, включая ЗД и долото, являются осевые и моментные динамические нагрузки, порождаемые динамическим взаимодействием долота с забоем. Ее удаленные участки испытывают динамические нагрузки, обусловлен-ные колебательными процессами, возникающими и распространяющимися от долота, ЗД.

При бурении долотами с прерывистым контактом ( шарошечными) доминирующим фактором динамичности обычно является зубчатая рабо-чая поверхность долота и в силу этого – непрерывное изменение нагрузки на каждый из зубьев (зубцов) шарошек от нуля до наибольшего значения и снова до нуля, т.е. передачи осевой и моментной нагрузок от одних зубьев к другим по схеме « эстафеты». Кроме того, динамичность процесса взаи-модействия долота с забоем усиливается с увеличением высоты и шага зубьев, твердости горных пород, частоты вращения долота и др.

Любая повторяющаяся во времени переменная нагрузка имеет свою амплитудно-частотную характеристику (АЧХ ), с которой она воздейству-ет на бурильную колонну, представляющую собой систему с распреде-ленными параметрами и потому имеющую собственную АЧХ. Импульсы нагрузок возбуждают в бурильной колонне волны напряжений различной АЧХ, которые, накладываясь друг на друга и с АЧХ, частично отражаясь от участков с различными волновыми сопротивлениями, частично погло-щаясь, проходят выше по бурильной колонне. В результате в бурильной колонне создается весьма сложное поле напряжений, порождая одновре-менно продольные, крутильные и поперечные колебания с различными АЧХ. Описанная волновая картина еще больше усложняется при бурении

забойными двигателями, представляющими собой автономную колеба-тельную систему со своими АЧХ. На АЧХ колебаний сильно влияют способ бурения, динамическая характеристика ЗД, тип опор, частота вращения долота. При совпадении или близких значениях собственных частот колонны и частот возмущений могут возникать резонансные яв-ления.

Колебания условно можно подразделить на низко- и высокочастотные. Низкочастотные продольные колебания большой амплитуды ( до 5–10 мм) возникают из-за ухабистости забоя, колебаний давления жидкости, разновысокости шарошек, а высокочастотные колебания малой амплитуды (0,1–2 мм) – из-за хрупкого разрушения забоя, при перекатывании ша-рошек долота, работе ЗД.

Возникшие продольные колебания вызывают изменение осевой на-грузки на долото и связанного с ней крутящего момента, что приводит к крутильным колебаниям. Последние возникают также из- за перемен-ного сопротивления вращению долота, заклинивания долота в скважине, подшипников опор, биения шарошек. Неравномерная нагруженность шарошек, их венцов и зубьев приводит к появлению поперечных сил. Возникает косой удар, вызывающий поперечные колебания. Последние возникают также из-за динамической неуравновешенности вращающих-ся масс элементов колонны, ЗД. Переменный момент сопротивления обусловливает неравномерное вращение колонны и вала ЗД. При нели-нейном ( зависящем от скорости движения, контактного давления и др.) коэффициенте трения труб о стенки скважины возникают продольные автоколебания бурильной колонны при СПО. Те же факторы, имеющие место на забое, в опорах долота и ЗД, приводят к возникновению кру-тильных автоколебаний.

О дополнительных источниках колебаний колонны при бурении с плавучих средств было сказано выше, в подразделе 6.2.1.

Роль колебательных процессов в процессе бурения неоднозначна. Как отмечалось ранее, упорядоченные колебания, повышая динамичность работы долота, интенсифицируют процесс разрушения пород и способст-вуют повышению скоростей бурения. Неупорядоченные, спонтанные ко-лебания играют отрицательную роль. Они приводят к неравномерному разрушению забоя , образованию на нем ухабов, отскокам долота с после-дующим ударом о забой. При ударе резко увеличиваются осевая нагрузка

крутящий момент на долото, забойный двигатель, трубы, что может привести к их поломке. Колебания приводят также к расшатыванию узлов

деталей забойного двигателя, долота, развивают усталостные явления, особенно в резьбах – концентраторах напряжений, и в конечном счете приводят к преждевременному износу и выходу их из строя. Поэтому в компоновку низа колонны включают амортизаторы, существенно сни-жающие пиковые значения этих нагрузок.

Динамические нагрузки на колонну возникают также при СПО, запуске буровых насосов, ликвидации аварий, особенно с использованием ударных механизмов, взрывов, при создании гидравлических импульсов и т.д.

Инерционные нагрузки F и, возникающие при подъеме колонны с большой массой, ограничиваются мощностью грузоподъемного оборудо-вания ( ГПО), а при малой массе колонны Fи ограничивается инерционно-стью передаточных механизмов ГПО и предельно допустимой скоростью подъема колонны.

Несколько иначе обстоит дело при спуске колонны, когда а и F и мо-гут достигать значительных величин при неудачном выборе режима тор-можения колонны. Основным условием предупреждения больших F и при спуске является ограничение максимальной скорости спуска перед торможением V _ос и правильный выбор пути торможения l _т . При постоянном тормозном усилии на барабане лебедки а можно принять постоянным (что допустимо). Тогда

                                                                  (6.110)

Из (6.110) видно, что с увеличением V _ос и уменьшением l _т величина а

и, следовательно, F и резко возрастают. Особенно опасна наблюдающаяся иногда на практике ударная посадка колонны на элеватор или клиновые захваты.

 

Компоновка бурильной колонны

 

Основные принципы компоновки

Методика проектирования компоновки бурильных колонн распространяется на колонны, составленные из новых (I класс) и частично изношенных (II, III классы) бурильных труб ( БТ). В случае использования БТ II или III класса изменяются по сравнению с I классом только значения несущей способности труб при сохранении тех же значений, геометрических, массовых характеристик и нормативных запасов прочности.

Компоновка бурильной колонны (КБК) состоит из колонны бурильных труб ( КБТ) и компоновки нижней части бурильной колонны ( КНБК). КБТ может быть составлена из одинаковых по своим номинальным характеристикам (типу, наружному диаметру, толщине стенки, группе прочности или марке стали, типоразмеру замков) труб либо из их комбинации.

Последовательно соединенные между собой бурильные трубы одного и того же наружного диаметра, толщины стенки и материала образуют ступени бурильной колонны. Если КБТ составлена из одних и тех же по номинальным характеристикам труб, она называется одноступенчатой, в противном случае – многоступенчатой.

Диаметр, толщина стенок труб и длина ступеней определяются исходя из двух условий:

– обеспечения требуемой прочности КБК во всех ее частях;

– приемлемых гидравлических характеристик труб в скважине². Способ составления КБК выбирается с учетом следующих факторов:

– способ бурения (режим вращения бурильной колонны);

– конструкция и глубина скважины;

– ожидаемый объем СПО;

– геологические условия (возможные осложнения и др.);

– имеющийся на буровом предприятии парк бурильных труб, их номи-нальные характеристики и фактическое состояние (класс труб), стои-мость труб, удобство работы с трубами (захват и удерживание их эле-ваторами или клиновыми захватами, свинчивание/развинчивание зам-ковых соединений труб разного диаметра, распознавания труб, изго-товленных из различных сталей, в условиях буровой).

При бурении с постоянным вращением труб предпочтение отдается

(при прочих равных условиях) прочностным характеристикам труб, соот-ветственно КБТ обычно составляется из стальных труб, а при бурении ГЗД –герметичности труб,причем основная часть КБТ,расположенная нарасстоянии 300–500 м от забоя, может быть составлена из ЛБТ.

КБТ должна быть составлена таким образом, чтобы:

–   противостоять действию всех рассмотренных выше видов нагрузок;

– обеспечивать нормативные запасы прочности во всех своих частях;

– иметь в то же время минимальную массу;

– быть экономичной.

Проектирование КБК ведется в определенной последовательности.

Для обеспечения оптимальных гидравлических соотношений в соответствии с диаметром скважины формируют ступени бурильной колонны (определяются их длины, значение всех подходящих наружных диаметров труб).

В зависимости от конструкции скважины, способа и условий бурения

учетом приоритета труб и их наличия производится выбор типоразмеров БТ.

Бурильные трубы располагаются в следующей последовательности:

– по типам БТ: в зависимости от способа бурения; внутри каждого типа;

– по возрастанию толщины стенки или наружного диаметра;

– внутри группы БТ с одной толщиной стенки или наружного диаметра;

– по возрастанию группы прочности материала;

– внутри каждой группы прочности БТ: по возрастанию наружного диаметра замкового соединения.

Подготовленная последовательность труб проверяется на соответст-

вие: диаметру обсадной колонны, наружного диаметра тела трубы, наруж-ного диаметра замковых соединений внутренним диаметрам соответст-вующих интервалов скважины (или ранее спущенной обсадной колонны). Далее путем их последовательного перебора составляется предварительная компоновка колонны, включая компоновку низа бурильной колонны, с уче-том приведенных выше рекомендаций.

 

Говорить об оптимальных гидравлических характеристиках труб (как об этом обычно говорится в технической литературе), при которых потери давления в трубах и за ними одинаковы и, соот-ветственно, давление на устье минимально, не приходится, ибо это возможно лишь при исполь-зовании бурильных труб диаметром, близким к диаметру долота, и только при роторном буре-нии. При этом резко возросли бы вес и стоимость бурильной колонны, энергетические затраты на СПО, потребовалась бы буровая установка большой грузоподъемности и т.д. При бурении гидравлическими забойными двигателями это условие вообще недостижимо.

 

 

При всех способах бурения рекомендуется устанавливать над УБТ секцию бурильных труб длиной не менее 250–300 м из стали более низкой группы прочности. При бурении с постоянным вращением бурильной ко-лонны эти трубы должны обладать достаточным пределом выносливости.

На стыке с УБТ устанавливаются трубы (как минимум одна бурильная свеча) с максимальной толщиной стенки (для плавного перехода по жесткости от УБТ к КБТ).

Рекомендуемые диаметры БТ в зависимости от диаметра обсадных колонн и способа бурения (режима работы КБК) приведены в табл. 6.17.

 

Таблица 6.17

Рекомендуемые соотношения диаметров бурильных

и обсадных колонн*, мм

 

Обсадная	Бурильная колонна при бурении
	с кратковременно периодическим		с постоянным
колонна
	вращением БК (бурение ЗД)		вращением БК
114			60	(64)
127			60	(64)
140			73
146			73
168			89	(90)
178	89; 102	(90; 103)	89; 102	(90; 103)
194	102 (103); 114		102 (103); 114
219	114; 127 (129)		102 (103); 114
245	140	(147)	114; 127 (129)
273	140	(147)	127; 140	(129; 147)
299	140	(147)	140	(147)
324	140	(147)	140	(147)
340	168	(170)	140	(147)
377	168	(170)	168	(170)
406 и более

 

Из условия свободного прохождения через обсадную колонну; в скобках приведены диаметры ЛБТ.

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1329; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!