1. Бурильная колонна. Условия работы и основные положения методики расчета бурильной колонны на статическую прочность при бурении забойными двигателями.

Бурильная колонна предназначена для выполнения следующих основных функций:

• передачи вращения от ротора породоразрушающему инструменту;

• передачи неподвижному столу ротора реактивного крутящего момента, возникающего при бурении скважины забойными двигателями;

• создания на долото осевой нагрузки;

• подвода промывочной жидкости для очистки забоя скважины от выбуренной породы, а также для привода забойных гидравлических двигателей;

• подъема кернового материала и спуска аппаратуры для исследований в стволе скважины;

• проработки и расширения ствола скважины, испытания пластов, ликвидации аварий в скважине.

Бурильная колонна состоит из ведущей трубы, бурильных труб и утяжеленных бурильных труб, соединяемых бурильными замками, муфтами и переводниками.

Компоновку бурильной колонны выбирают исходя из конструкции скважины, способа бурения и горно-геологических условий. Для предотвращения поломок бурильные колонны должны обладать регламентированными запасами статической прочности и сопротивления усталости. При выборе конструкции колонны необходимо стремиться к оптимальному сочетанию ее прочности и массы.

В процессе эксплуатации бурильные колонны испытывают различные по характеру и величине нагрузки. Согласно принятой методике, бурильные колонны рассчитывают на прочность от действия собственного веса, передаваемого крутящего момента и изгиба, вызванного потерей устойчивости в результате вращения.

Длина УБТ определяется из условий: для бурения забойными двигателями

где — длина УБТ, м; — осевая нагрузка на долото, Н; q— вес 1 м УБТ, Н; — вес забойного двигателя, Н.

Напряжения от собственного веса в сечении трубы, отстоящем на расстоянии х от нижнего конца бурильной колонны:

где — вес бурильной колонны длиной х; — площадь кольцевого сечения гладкой части бурильной трубы; — длина колонны бурильных труб; — удельный вес материала труб; — коэффициент, учитывающий вес бурильных замков и утолщенных концов трубы.

Напряжения от собственного веса не зависят от диаметра и толщины стенки труб т возрастают с увеличением длины колонны. При длине х, когда величина достигает временного сопротивления материала , колонна бурильных труб разрушится от собственного веса.

Критической длиной называется длина, при которой колонна труб разрушается от собственного веса. На основании выражения имеем

Предельной длиной называется длина, при которой напряжение от собственного веса бурильной колонны достигает предела текучести :

При статическом растяжении опасными являются сечения в гладкой части бурильной трубы. Концевые участки бурильных труб вследствие их высадки имеют большее сечение и поэтому менее опасны.

На статическую прочность бурильную колонну рассчитывают, исходя из условия

где — напряжение растяжения; G — расчетная нагрузка; F — площадь поперечного сечения гладкой части бурильной трубы; — предел текучести материала; — допускаемый запас прочности на растяжение.

В практических расчетах удобнее пользоваться условием прочности по предельным нагрузкам. Из формулы (5.6) имеем

где — предельная нагрузка, при которой напряжение в гладкой части бурильной трубы достигает предела текучести .

Значения предельных нагрузок в зависимости от типа, диаметра, толщины стенки и группы прочности бурильной трубы приводятся в справочных материалах по расчету бурильных труб [40, 42].

Расчетная нагрузка определяется по формуле

где и — длина бурильной колонны и УБТ, м; и — вес 1 м бурильной трубы и УБТ, Н; — вес забойного двигателя, Н; и — плотность промывочной жидкости и материала труб, кг/м³;

и — перепад давления соответственно в забойном двигателе и долоте, Па; — площадь проходного канала трубы, м².

Допускаемую глубину спуска бурильных труб

Необходимую группу прочности материала труб