4.6. Условия работы бурильной колонны. Нагрузки и напряжения,

действующие на бурильные трубы

Изучению условий работы бурильной колонны в скважине посвящено значительное число работ [2,3,5, 6, 7, 8-12, 13, 14,15].

При всех способах бурения бурильная колонна находится в условиях сложного напряженного состояния. Главная особенность работы бурильной колонны как длинномерного упругого тела заключается в том, что различные ее участки в один и тот же момент или в разные моменты времени подвергаются действию различных по величине и характеру нагрузок.

Другая особенность состоит в том, что одни и те же факторы вызывают различные по характеру и величине нагрузки. Поскольку бурильная колонна делит ствол скважины на внутриколонное и заколонное пространства, то в зависимости от соотношения давлений в них колонна будет подвергаться действию разрывающих или сминающих напряжений.

Большое влияние на условия работы труб оказывают тип профиля скважины и параметры искривления. Этот фактор можно отнести к третьей особенности работы бурильной колонны.

Четвертая особенность работы бурильной колонны связана со способом бурения скважины: без вращения или с вращением труб. В этом случае существенное значение приобретает характер вращения и изгиба труб и т.д.

С практической точки зрения главной задачей является разработка основных принципов составления рациональных компоновок бурильной колонны для конкретных геолого – технических условий бурения и их рациональной отработки с тем, чтобы довести скважину до проектной глубины без осложнений и аварий, с наилучшими технико – экономическими показателями бурения [3,4].

Именно с этих позиций и необходим подробный и по возможности всесторонний анализ условий работы бурильной колонны, чтобы она противостояла всем видам нагрузок, возникающих в процессе проводки скважины. При этом предпочтение должно отдаваться возможно более точному расчету напряжений в наиболее нагруженных участках колонны.

Все многообразие нагрузок можно привести к силам и моментам, вызывающим:

1) нормальные напряжения: растяжения, сжатия, изгиба,

2) окружные нормальные напряжения;

3) радиальные нормальные напряжения;

4) касательные напряжения;

5) инерционные напряжения;

Рассмотрим эти вопросы несколько подробней.

4.6.1. Осевые силы и напряжения от действием собственного

веса бурильной колонны и давления жидкости

На погруженную в жидкость колонну, через которую производится закачивание жидкости в вертикальную скважину, одновременно действуют сила ее собственного веса, гидравлическая нагрузка F_Г, обусловленная потерями и перепадами давления по длине циркуляционной системы, а также архимедова сила, уменьшающая вес колонны на величину, равную весу вытесненного объема жидкости. Суммарная осевая нагрузка F_z в произвольном сечении z бурильной колоны, отсчитываемом от устья, обусловленная действием указанных выше факторов, может быть представлена в виде

(4.1)

где q- расчетный (приведенный) вес погонного метра труб в среде жидкости и с учетом замков;

- коэффициент облегчения труб в жидкости;

Р_у, ΔР_z, ΔP_кп–давление на устье (на стояке), потери давления в трубах на участке от устья до точки z, потери давления в кольцевом пространстве труб соответственно;

S₀ –площадь проходного канала труб в сечении z.

ρ_ж и ρ_м –плотность жидкости и материала труб соответственно;

В общем случае плотности жидкостей в трубах ρ_т и за ними ρ_к могут быть разные. Если, например, в колонну закачивается очищенный буровой раствор с плотностью ρ_т, то за трубами плотность зашламленного раствора будет

, (4.2)

где φ - содержание шлама в растворе, а ρ_{шл -} его плотность.

Формула (4.1) является наиболее общей, но она записана для одноразмерной колонны (диметр и толщина стенок неизменны). В противном случае необходимо ввести в нее корректировку с учетом фактической компоновки колонны.

Для устья скважины она упрощается и принимает вид

(4.3)

Следует отметить, что на практике F_Г принято определять не через давление на устье, а через суммарный сосредоточенный перепад давления в элементах колонны ΔР_соср (долоте, забойном двигателе и УБТ, считая последнее как сосредоточенное гидросопротивление). При бурении обычных скважин (глубиной до 2000-2500м или без горизонтального окончания) это оправданно, поскольку распределенные по длине колонны потери давления ΔР_рас обычно составляют лишь незначительную часть от Р_у.. Однако при больших глубинах бурения ΔР_рас может стать соизмеримым с ΔР_соср., и пренебрежение ΔР_рас может привнести

существенную погрешность.

Из (4.1) видно, что растягивающее усилие приблизительно линейно уменьшается с глубиной, оно максимально на устье (формула (4.3).

Поделив (4.1) или (4.3) на фактическую (несущую) площадь сечения труб S_ф, получим напряжения растяжения в сечении z или на устье.

Представив вес 1 метра труб как , гдеg – гравитационная постоянная, S_пр –приведенная площадь сечения труб (с учетом замков), подставив далее это выражение в (4.3) и поделив на S_ф, получим растягивающие напряжения на устье σ₀

, (4.4)

где ΔР_кп – суммарные потери давления в кольцевом пространстве.

Поскольку , то это означает, что растягивающие напряжения в одноразмерной бурильной колонне почти не зависят от площади сечения (толщины стенки) труб.

Из (4.4) можно заметить, что поскольку всегда Р_у многократно превышает ΔР_кп, то циркуляция жидкости всегда создает дополнительные растягивающие напряжения в трубах.

Если в (4.4) положить , где- допускаемые напряжения для материала труб,

и решить уравнение относительно L, то получим допускаемую глубину спуска данных труб L_доп

. (4.5)

Это выражение показывает, что L_доп для одноразмерной колонны определяется главным образом величиной и в некоторой мере зависит от. Но по мере увеличения отношения, т.е. при уменьшении ρ_м (использовании ЛБТ) и увеличении ρ_ж (особенно при бурении на утяжеленных растворах) этот фактор может стать весьма значительным, что позволяет резко (иногда кратно) увеличить глубину бурения.

Следует различать осевое усилие в первой сверху трубе F_тр и нагрузку на крюке F_кр. Первое относится к внутренним силам, а вторая – к внешним. И численно они равны лишь в частном случае – при отсутствии циркуляции жидкости. Ярким подтверждением этому является, например, то, что при выполнении некоторых видов работ в скважине (закачивании в пласт тампонажных составов под высоким давлением, продавливании шламовых пробок и др.), иногда происходит распакеровка колонны, т.е. колонна «выдавливается» из скважины. При этом нагрузка на крюке отсутствует, хотя трубы находятся в сложном напряженном состоянии.

На внутренней и наружной стенках колонны, находящейся в жидкости, возникают радиальные сжимающие напряжения, обусловленные внутренним и наружным давлениями, которые повышают общее напряженное состояние труб. Однако ни одной из известных методик они не учитываются, что является их общим недостатком. Но учитываются внутреннее и наружное избыточные давления. Если давление в трубах Р_в больше, чем за ними Р_н, то говорят о внутреннем избыточном давлении Р_ви и наоборот.

В процессе механического бурения всегда имеет место внутреннее избыточное давление, которое вызывает в материале труб нормальные окружные напряжения, стремящиеся разорвать трубу. Для произвольной глубины z оно равно

Р_виz =, (4.6)

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

Из (4.6) видно, что наибольшее Р_ви имеет место при z=0, т.е. на устье.

Напряжения σ_ви от Р_ви для труб с любой толщиной стенки следует вычислять по формуле, полученной автором , (4.7)

взамен формулы Барлоу, справедливой только для тонкостенных труб.

В формуле (4.7) приняты обозначения:

d и D – соответственно внутренний и наружный диаметр труб;

k_р – коэффициент разностенности труб, принятый равным 0,875.

При выполнении некоторых технологических операций (например, при вызове притока жидкости в скважину) наружное давление значительно больше внутреннего. Тогда колонна подвергается наружному избыточному давлению Р_ни., которое равно

, (4.8))

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 1,4,16].

Ныне применяемые бурильные трубы имеют высокие значения P_кр, и имеет смысл эти расчеты производить лишь при высоких значениях Р_ни.

До сих пор мы полагали, что скважина вертикальная, не имеет места взаимодействия

труб с ее стенками. Это весьма упрощенная схема. В настоящее время подавляющее большинство скважин (более 90%) бурятся наклонно - направленными, со сложным профилем. В таких скважинах колонна интенсивно взаимодействует с ее стенками, воспринимая дополнительные нагрузки, которые могут достигать значительных величин.