1. Назначение и условия работы бурильной колонны
Связующим звеном между находящимся на поверхности буровым оборудованием и инструментом для разрушения породы является бурильная колонна. Она имеет многофункциональное назначение и может использоваться для:
1. направления ствола скважины;
2. создания нагрузки на долото и передачи ему вращательного движения;
3. восприятия крутящего момента при способе бурения забойными двигателями;
4. подачи бурового раствора в забой;
5. подъема и спуска забойных двигателей и долота;
6. исследования пластов и др.
7. проведения вспомогательных работ (проработка, расширка и промывка ствола скважины, ловильные работы и др.).
В случае возникновения аварийных ситуаций и других осложнений в скважине она служит обсадной колонной. А с применением вставного долота — каналом для его спуска.
Из-за большой протяженности бурильной колонны, при любом способе бурения, разные ее участки испытывают различные нагрузки: сжатие, кручение, растяжение, давление, продольный и поперечный изгиб. Наибольшая нагрузка растяжения приходится на самую верхнюю трубу при подъеме колонны. При способе бурения с промывкой растягивающую нагрузку увеличивает поток жидкости внутри трубы. Жидкость в затрубном пространстве наоборот, снижает ее.
Трение о стенки скважины выступающих частей колонны, прилипание ее гладких частей к глинистой корке увеличивают силу трения. Не меньше сила сопротивления увеличивается за счет кривизны ствола скважины, резких сужений.
Динамические нагрузки на бурильную колонну, которые определяют долговечность и прочность забойного двигателя, долота и бурильной трубы, наиболее тяжело учитывать. На вал забойного двигателя, низ колонны и долото эти нагрузки давят вследствие взаимодействия долота и забоя. На дальние участки колонны динамические силы действуют в процессе пульсации давящего бурового раствора, работы долота и забойного двигателя.
Причиной поперечных, продольных и крутильных колебаний очень разнообразны. В ухабистых забоях возникают продольные низкочастотные колебания. А высокочастотные колебания малой амплитуды обусловлены перекатыванием шарошек долота, скачкообразным разрушением породы и т.п.
Уводят долото в сторону поперечные силы, к которым приводит нестабильное сопротивление разрушения породы шарошками, зубьями. При этом возникает косой удар, который вызывает поперечные колебания.
Бурение нефтяных и газовых скважин (3)
... и жесткость, позволяют создавать необходимую нагрузку на долото и обеспечивают достаточную жесткость низа инструмента во избежание его продольного изгиба и неуправляемого искривления ствола скважины. УБТ используются также для регулирования колебаний низа бурильной колонны ...
Требования, предъявляемые к бурильной колонне
Требования, предъявляемые к бурильной колонне, обусловлены технологическими особенностями способа бурения, которые определяют условия работы, а так же геологическими особенностями разреза скважины. Исходя из этого, разрабатывают рациональную конструкцию и подбирают наиболее подходящий материал для изготовления колонны.
Независимо от условий работы, должен выполняться проектный режим бурения, обеспечиваться устройство скважины проектной глубины с высокими техническими и экономическими показателями без каких-либо осложнений. Поэтому компоновка колонны обязана иметь высокую прочность своих составных элементов, способную выдерживать возможные нагрузки: ударные, инерционные, вибрационные, а так же избыточные давления — наружные и внутренние.
Конструкция составных элементов бурильной колонны (замки, муфты, трубы и т.п.) должна обеспечивать надежный захват и прочное крепление соединений. Требования к резьбовым соединениям — исключение самопроизвольного отвинчивания, но при этом легкость разборки и сборки.
В целом, колонна должна иметь минимальную массу и быть экономичной.
Изготавливают бурильную колонну из технологичных высокопрочных материалов, устойчивых к агрессивным средам и абразивному изнашиванию при трении.
двигатель бурильный колонна
Рис. 1 Бурильные трубы
2. Бурильная колонна, ее назначение и составные элементы
Рис. 2 Схема бурильной колонны
Бурильная колонна — непрерывная многозвенная система инструментов, соединяющая наземное буровое оборудование (вертлюг) с долотом на забое скважины.
Состав бурильной колонны:
1. вертлюг
2. переводник вертлюга
3. верхний переводник бурильной трубы
4. ведущая труба
5. нижний переводник ведущей трубы
6. предохранительный переводник
7. муфта бурильного замка
8. бурильные трубы
9. ниппель
10. муфта
11. 14. переводник
12. 13. утяжеленные бурильные трубы
14. Вспомогательные элементы:
1. Центраторы
2. Калибраторы
3. Стабилизаторы
4. Амортизаторы
5. Протекторные кольца
6. Обратные клапаны
7. Фильтры
8. Металлошламоуловители
9. Гидрояссы
10. Переводники
3. Порядок расчета бурильной колонны
Бурильная колонна при бурении, проведения спускоподъемных и других операций находится в сложном напряженном состоянии, подвергаясь воздействию статических и динамических нагрузок, вызывающих растяжение, сжатие, продольный и поперечный изгиб, скручивание и др. С целью определения работоспособности элементов бурильной колонны и ее правильного конструирования производят специальные расчеты.
При роторном бурении на бурильную колонну действуют в основном следующие усилия:
1. осевое усилие растяжения от собственного веса колонны
2. при подъемке ее от забоя, когда наиболее опасное сечение находится в верхней части;
3. осевое усилие сжатия от веса колонны, когда наиболее опасное сечение находится в нижней части;
4. изгибающий момент, возникающий в результате действия центробежных сил;
5. крутящий момент, передаваемый колонной для разрушения горной породы на забое;
Буровые трубы и их соединения
... бурильные трубы; 19 - амортизатор; 20 - муфтовый переводник; 21 - центратор; 22 - забойный двигатель; 23 - калибратор; 24 - буровое долото ствола скважины используют специальные, нередко довольно сложные, компоновки нижней части бурильной колонны. ... и знакопеременные нагрузки, а также внутренние и наружные избыточные давления; иметь минимальную массу, обеспечивающую минимальные затраты энергии на ...
6. напряжение растяжения, вызванное прокачиванием раствора в колонне под давлением.
В зависимости от возникающих усилий рис. 2 опасным может являться верхнее сечение т-т в момент начала подъема (совместное действие растяжения от собственного веса и кручения); нижнее сечение п-п бурильных труб в месте резьбового соединения (совместное действие усилий сжатия и кручения).
Обсадные колонны рассчитывают на прочность согласно инструкции, разработанной ВНИИТнефти Наблюдения показали, что обсадные колонны разрушаются под действием избыточных внутренних и наружных давлений, а также собственного веса. Распространены повреждения обсадных колонн вследствие их протирания бурильными трубами при роторном бурении и нарушения герметичности резьбовых соединений.
Прочность обсадных колонн рассчитывается по следующим условиям:
1. на внутреннее давление n = pт/pв ? [n];
2. на наружное давление S = ркр/рн ? [S];
3. на растяжение K = рст/G ? [k]
где рт, ркр, рст — предельные внутреннее и наружное давления, и растягивающая нагрузка обсадной колонны; рв, рн, G — избыточные внутреннее и наружное давления, растягивающая нагрузка; п, S, k — запасы прочности по внутреннему, наружному давлению и растягивающей нагрузке; [п], [S], [k] — допускаемые запасы прочности обсадных колонн по внутреннему, наружному давлению и растяжению.
Предельное внутреннее давление, характеризующее сопротивляемость трубы внутреннему давлению, определяется по давлению, при котором напряжения в меридиональном сечении трубы достигают предела текучести. Величина этого давления, зависящая от диаметра, толщины стенки и материала трубы, вычисляется по формуле
рт = 2дутс/D,
где д — номинальная толщина стенки трубы, мм; ут — предел текучести материала труб, МПа; D — наружный диаметр трубы, мм; с — коэффициент, учитывающий допускаемое по ГОСТ 632-80 отклонение толщины стенки трубы от номинального значения (с=0,875).
Сопротивление трубы внутреннему давлению возрастает с уменьшением диаметра и увеличением толщины стенки и прочности материала труб. Предельные внутренние давления обсадных труб, приводятся в справочниках по трубам нефтяного сортамента и в других литературных источниках
