Динамические нагрузки на бурильную колонну

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

Наиболее трудно поддающимися расчету нагрузками, значительно влияющими на прочность и долговечность всех элементов бурильной колонны, включая забойный двигатель (ЗД) и долото, являются осевые и моментные динамические нагрузки, порождаемые большим многообразием причин. Динамические нагрузки на нижнюю часть колонны обусловлены, главным образом, непосредственным динамическим взаимодействием долота с забоем. Удаленные участки ее испытывают динамические нагрузки, обусловленные колебательными процессами, возникающими и распространяющимися от долота, ЗД.

Большое многообразие причин порождает одновременно продольные, крутильные, поперечные колебания и в ряде случаев – автоколебания различных частот и амплитуд.

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 шарошек долота, работе ЗД. Возникшие продольные колебания вызывают изменение осевой нагрузки на долото и связанного с ней крутящего момента, что вызывает крутильные колебания. Последние возникают также из-за переменного сопротивления вращению долота, заклинивания долота в скважине, подшипников опор, биения шарошек. Неравномерная нагруженность шарошек, их венцов и зубъев приводит к появлению поперечных сил. Возникает косой удар, вызывающий поперечные колебания. Последние возникают также из-за динамической неуравновешенности вращающихся масс элементов колонны. Переменный момент сопротивления обусловливает неравномерное вращение колонны и вала ЗД. При нелинейном (зависящем от скорости движения, контактного давления) 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 крутильных автоколебаний.

О дополнительных источниках колебаний колонны при бурении с плавучих средств

было сказано выше, в п. 4.6.3. На частотный спектр колебаний сильно влияют способ бурения, характеристика ЗД с его автономной колебательной системой, тип опор, частота вращения долота. При совпадении или близких значениях собственных частот колонны и частот возмущений могут возникать резонансные явления.

Роль колебательных процессов в процессе бурения неоднозначна. Как отмечалось ранее, упорядоченные колебания, повышая динамичность работы долота, интенсифицируют процесс разрушения пород и способствуют повышению механической скорости бурения. Неупорядоченные, спонтанные колебания играют отрицательную роль. Они приводят к неравномерному разрушению забоя, образованию на нем ухабов, отскокам долота с последующим ударом о забой. При ударе резко увеличиваются осевая нагрузка и крутящий момент на долото, забойный двигатель, трубы, что может привести к их поломке. Колебания приводят также к расшатыванию узлов и 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 снижающие пиковые значения этих нагрузок. Динамические нагрузки на колонну возникают также при СПО, запуске буровых насосов, ликвидации аварий, особенно с использованием ударных механизмов, взрывов, создании гидравлических импульсов и т.д.. Инерционные нагрузки F_и, возникающие при подъеме бурильной колонны с большой массой ограничиваются мощностью грузоподъемного оборудования (ГПО), а при малой массе колонны F_и ограничивается инерционностью передаточных механизмов ГПО и предельно допустимой скоростью подъема колонны.

Несколько иначе обстоит дело при спуске колонны, когда а и F_и могут достигать значительных величин при неудачном выборе режима торможения колонны. Основным условием предупреждения больших F_и при спуске является ограничение максимальной скорости спуска перед торможением и правильный выбор пути торможения . При постоянном тормозном усилии на барабане лебедки а можно принять постоянным (что допустимо). Тогда (4.56)

Из (4.56) видно, что с увеличением и уменьшением величина а и, следовательно, F_и резко возрастают. Особенно опасна наблюдающаяся иногда на практике ударная посадка колонны на элеватор или клиновые захваты.