Характер вращения, формы изгиба и устойчивость бурильной колонны

Известно, что бурильная колонна или ее отдельные участки могут одновременно или в разные моменты участвовать в 4 – х видах движения:

1) вокруг оси скважины со скольжением по ее стенке;

2) вокруг оси скважины с обратным перекатыванием;

3) вокруг своей изогнутой оси;

4) в режиме беспорядочного биения.

Вид вращения и форма изгиба труб определяются большим множеством факторов, таких как: профиль скважины, величина зенитного угла, диаметр скважины, труб и/или бурильных замков (их соотношение); изогнутость труб, несоосность резьбовых или сварных соединений элементов бурильной колонны; состояние поверхности стенок скважины, характер приложения осевых сил (сжимающие или растягивающие) к концам участка; интенсивность распределенной нагрузки, определяемая массовой характеристикой труб, изгибная жесткость, частота вращения труб, параметры бурового раствора и т.д.

Все эти вопросы подробно рассмотрены в работе [12]. Здесь мы приведем лишь узловые моменты полученных результатов:

1) в общем случае теоретически трудно определить вид вращения и форму изгиба труб, которые носят вероятностный характер: можно лишь установить вероятность того или иного вида движения и формы изгиба, исходя из оценки степени влияния на них указанных выше факторов; в каждый момент времени бурильная колонна или ее отдельные участки будут совершать тот вид движения, на поддержание которого затрачивается минимум мощности; однако, для конкретных случаев можно сформулировать вполне определенные

ограничения на вид вращения и форму изгиба труб;

2) невращающиеся растянутые трубы изгибать не могут иначе, как в соответствии с искривленной осью ствола скважины;

3) вращение труб вокруг оси скважины невозможно, если зенитный угол выше некоторого предельного значения, определяемого уравнением

(4.32)

значения, или когда полуволна не вписывается в искривленный интервал;

В формуле (4.32) (4.33)

– коэффициент формы изгиба труб, равный 1 при спиральном изгибе и 2/π – при плоском;

– максимальная стрела прогиба труб, равная полуразности диаметров скважины D_c и труб D_н: ;

и E I – масса погонного метра и жесткость труб на изгиб; Е –модуль Юнга,

I и ω - осевой момент инерции сечения и угловая частота вращения труб.

При трубы опрокидываются на нижнюю стенку скважины и изгибаются по плоской форме с образованием полуволн, что известно под названием изгиб «змейкой». При этом полуволны могут вращаться только вокруг своей изогнутой оси, при котором центробежные силы отсутствуют, в связи с чем имеет смысл рассматривать лишь плоскую форму изгиба; в этом случае при определении α_пр трубы следует рассматривать как невращающиеся;

4) наиболее вероятным видом движения утяжеленного низа, расположенного в наклонной скважине, является вращение труб вокруг своей изогнутой оси;

5) для невращающихся труб наиболее вероятный вид вращения– это вращение вокруг своей оси, при котором центробежные силы отсутствуют;

6) форма изгиба теснейшим образом связана с видом вращения труб и, кроме того, зависит от направления действия и величины сил, приложенных к концам труб;

7) длина полуволны или полувитка l_пв с учетом крутящего момента может быть определена из решения уравнения Гринхилла

, (4.34)

где G_д - осевая нагрузка на долото.

Однако, влияние имеющих место при бурении крутящего момента М_кр на длину полуволны l_пв ничтожно мало (менее 0,001%), и l_пв можно определять без учета М_кр;

8) влияние частоты вращения труб п на величину α_пр во много раз сильнее, чем влияние сжимающих сил F_сж, причем степень влияния сильно зависит от п (вследствие возрастания центробежных сил пропорционально п ²).

Длина стесненной полуволны УБТ в процессе бурения практически определяется величиной F_сж и α. Для вращающихся вокруг оси скважины труб (пока ) в некоторой мере зависит также от п. Для этих условий вычисляетсяпо формуле [15]

, (4.35)

в которую подставляется значение коэффициента а для полувитка или полуволны.

Знак плюс перед F берется для растягивающих сил, минус – для сжимающих. Перед внутренним корнем знак берется из условия существования решения.

Для труб, нагруженных растягивающими силами, с увеличением зенитного угла с нуля до значения величина также увеличивается со значения

(4.36)

до ∞. Это означает, что при этом изгиб вращающихся труб невозможен, трубы в дальнейшем будут вращаться вокруг своей оси, при этом центробежные силы исчезнут.

Для труб, нагруженных сжимающими силами, перед F берется знак минус, а перед внутренним корнем – знак плюс. При увеличении зенитного угла с нуля до значения, определяемого выражением (4.35), величина непрерывно растет, достигая в этой точке значения . (4.37)

При формула упрощается и переходит в следующую:

. (4.38)

Для невращающихся труб определяется по формуле

. (4.39)

При увеличении α до длина также увеличивается, достигая в этой точке значения, определяемого (4.38).

Наиболее характерным примером поперечного изгиба бурильной колонны является

изгиб ее в искривленных интервалах (набора и/или снижения зенитного угла) наклонно направленной скважины. Изгиб происходит под действием поперечных сил на контакте колонны со стенкой скважины. Вынужденная повторять конфигурацию ствола скважины, бурильная колонна на искривленном участке изгибается независимо от того, движется она или нет. Поскольку абсолютно прямолинейных интервалов не бывает даже в вертикальной скважине, то вся бурильная колонна всегда в той или иной мере подвержена поперечному изгибу. Действие поперечных сил на стенки скважины ничем не отличается от действия ранее рассмотренных сил прижатия, и все негативные последствия последних в полной мере

относятся и к поперечным силам.

При поперечном изгибе в теле трубы возникают напряжения, растягивающие с выпуклой стороны и сжимающие – с вогнутой, которые можно найти с помощью простой формулы (4.40)

где R- радиус искривления скважины.

Напряжения поперечного изгиба в невращающейся колонне в данном искривленном интервале будут неизменны и по величине, и по знаку. Во вращающейся колонне величина их сохранится, а знак будет зависеть от характера вращения колонны.

Под продольным изгибом понимают изгиб длинномерного (далее - гибкого) тела, происходящий только под действием осевых сжимающих сил. Если кроме осевых сил на тело действуют также и поперечные силы, то изгиб называют продольно-поперечным. В вертикальной скважине изгиб может быть и продольный, но чаще он продольно-поперечный. В наклонной скважине изгиб может быть только продольно-поперечный.

Под действием сжимающей нагрузки низ колонны теряет устойчивость и изгибается с образованием полуволн или полувитков сжатия.

Потерей устойчивости называется явление, когда система, выведенная из состояния равновесия, не возвращается в исходное состояние под действием лишь сил упругости.

Последствия изгиба низа колонны всегда отрицательны. Самый нижний участок

колонны задает направление стволу скважины. Поэтому если бурить при искривленном низе, ствол скважины будет непрерывно менять свое направление.

Продольно-поперечный изгиб колонны обусловливает напряжения , которые можно найти по формуле (4.41)

где r - стрела прогиба труб; l_пр – длина полуволны.

Напряжения продольного изгиба вращающейся колонны так же, как и поперечного изгиба, могут быть постоянными или переменными и зависят от характера вращения труб.

Все вышесказанное для поперечного изгиба остается справедливым и для продольно - поперечного изгиба. Если изогнутый участок расположен против каверны, то колонна, не встретив ограничивающего сопротивления стенки, получит большое радиальное смещение. Стрела прогиба и напряжения изгиба при этом могут возрасти во много раз. Может произойти раскрытие упорных торцов замковых деталей и нарушение герметичности колонны, расстройство резьбовых соединений. Возрастут сила прижатия труб к стенке скважины и затраты мощности на вращение, ускорится износ труб и т.д.

Имеются некоторые особенности в изгибе и устойчивости бурильной колонны при бурении с плавучих средств, которые связаны с горизонтальным и вертикальным смещением судна при бортовой и килевой качке от волнового напора и течений. Горизонтальные смещения судна вызывают поперечный изгиб, а вертикальные– продольно-поперечный изгиб из-за возникновения изгибающего момента от распределенных по длине колонны сил при отклонении ее от вертикали. Изгибающий момент от смещений достигает наибольшего значения у дна моря, а от качки – у бурового судна. Поэтому в целях снижения напряжений в трубах на судне и на дне устанавливают специальные трубы (водоотделяющие колонны - райзеры), допускающие в этих местах угловые и вертикальные перемещения.