5.4. Расчет оптимальных размеров жестких компоновок низа бурильной колонны

Расчет основан на решении в безразмерном виде системы уравнений перерезывающих сил, действующих на компоновку в прямолинейном стволе скважины с начальным зенитным углом, не превышающем 5º. Уравнение для каждого участка компоновки бурильной колонны имеет вид:

, (5.2)

где - перерезывающая сила, действующая в поперечном сечении i-го участка;

- угол поворота компоновки относительно оси;

p - осевая составляющая реакции забоя;

f_i - поперечная реакция на опорах.

Оптимальные размеры параметров компоновок рассчитываются исходя из равенства нулю поперечной силы, действующей на долото, и угла между осью долота и осью скважины, что выражается граничными условиями на долоте:

, (5.3)

где y - изгибающий момент в поперечном сечении компоновки.

Сопряженно-граничные условия на опорно-центрирующих элементах при равной жесткости участков имеют вид:

; ; , (5.4)

где r_i – зазор на i-й опоре.

Значения продольных и поперечных размеров компоновки, а также действующих на нее сил P, f переводятся в размерный вид по формулам:

X = xm ;

Y = ymtg  ; , (5.5)

P = pmgcos ;

F = fmK₁gsin ;

где  - зенитный угол ствола скважины, град;

g – вес единицы длины компоновки без учета плотности промывочной жидкости, кг/м;

EI – жесткость компоновки, Нм².

Расчетная схема компоновки низа бурильной колонны с двумя центраторами приведена на рисунке 5.5. В расчетной схеме долото является шарнирной опорой, а центраторы – шарнирно-подвижными опорами.

В соответствии с расчетной схемой при решении системы из трех уравнений вида (5.2) с использованием сопряженно-граничных условий (5.3), (5.4), с учетом формулы (5.5), получена оптимальная длина L_опт направляющего участка жесткости и соответствующие ей диаметры центраторов (Д₁, Д₂) при заданной осевой нагрузке на долото, приведенные в таблице 5.4.

Рис. 5.5

Таблица 5.4. Расчетные размеры жестких КНБК с двумя центраторами для роторного способа бурения

Дд, мм	ДУБТ, мм	Д1, мм	Д2, мм	Lопт, м	L1, м	Рд, кН	1, мм	2, мм
190,5	146	190,5	190,5	4,0	16,0	100-150	-2	- 4
190,5	146	190,5	186,0	4,0	14,0	100-150	-2	± 4
190,5	146	190,5	183,3	4,0	12,0	100-150	-2	± 4
215,9	178	215,9	213,9	3,8	14,0	150-200	-2	-4
215,9	178	215,9	211,0	4,4	16,0	150-200	-2	±4
244,5	178	244,5	239,0	5,2	18,0	200-250	-3	±4
244,5	203	244,5	240,0	5,5	18,0	200-250	-3	±4
244,5	203	244,5	234,5	5,5	16,0	200-250	-3	±4
269,9	178	269,9	262,0	5,5	19,0	250-300	-2	±4
269,9	203	269,9	259,0	5,1	8,0	250-300	-2	±2
269,9	203	269,9	264,0	5,1	20,0	250-300	-2	±3
295,3	178	295,3	263,0	4,4	12,0	300-350	-2	±3
295,3	178	295,3	295,0	4,8	21,0	300-350	-3	-4
295,3	203	295,3	295,3	5,0	20,0	300-350	-3	-5
295,3	203	295,3	288,0	5,0	18,0	300-350	-3	±4
295,3	229	295,3	295,0	5,3	20,0	300-350	-3	-5
295,3	229	295,3	288,0	5,3	17,0	300-350	-3	-4
295,3	254	295,3	293,0	5,0	18,0	300-350	-2	-5
295,3	254	295,3	287,0	5,0	12,0	300-350	-2	-4
311,1	203	311,1	286,0	5,1	11,0	300-350	-3	-5
311,1	203	311,1	293,0	5,1	21,0	300-350	-2	±3
311,1	229	311,1	299,0	5,4	9,0	300-350	-2	-3
311,1	229	311,1	290,0	5,4	15,0	300-350	-2	-4
311,1	254	311,1	301,0	5,6	9,0	300-350	-2	-2
311,1	254	311,1	297,0	5,6	15,0	300-350	-2	±3
320,0	203	320,0	288,0	4,6	13,0	350-400	-3	-5
320,0	203	320,0	295,0	4,6	21,0	350-400	-2	±3
320,0	229	320,0	302,0	4,9	11,0	350-400	-2	±2
320,0	229	320,0	316,0	4,9	23,0	350-400	-2	±3
320,0	254	320,0	310,0	5,1	9,0	350-400	-2	±3
349,2	229	349,2	323,0	4,9	13,0	350-400	-3	±3
349,2	229	349,2	332,0	4.9	25,0	350-400	-3	+4
349,2	254	349,2	333,0	5,1	11,0	350-400	-3	±3
349,2	254	349,2	349,2	5,1	25,0	350-400	-3	-4

Примечание. Д_д- диаметр долота; Д_УБТ –диаметр УБТ; Д₁ – диаметр первого от долота центратора; Д₂ – диаметр второго центратора; L_опт – оптимальная длина направляющего участка компоновки; L₁- расстояние от верхнего торца первого центратора до верхнего торца второго центратора; Р_д – осевая нагрузка на долото; ₁- допустимый износ первого центратора по диаметру; ₂- допустимое отклонение диаметра второго центратора от расчетного значения, при "-" – в сторону уменьшения, при "+" – в сторону увеличения.

В таблицах 5.5 и 5.6 приведены основные параметры жестких КНБК для турбинного способа бурения и минимальная длина колонны УБТ при роторном и турбинном способах бурения.

При бурении с применением турбобура диаметром 195 мм над КНБК рекомендуется устанавливать УБТ диаметром 178 мм, а при бурении турбобуром диаметром 240 мм – УБТ диаметром 229 мм.

Для получения качественного ствола скважины и улучшения условий работы долота в состав жесткой компоновки низа бурильной колонны необходимо включать наддолотный калибратор, который должен присоединяться к долоту без промежуточного переводника.

Таблица 5.5. Расчетные размеры жестких КНБК с двумя центраторами для турбинного способа бурения

Дд, мм	Д1, мм	Д2, мм	Тип турбобура	Рд, кН	1, мм	2, мм
215,9	214,0	214,0	ЭТСШ-195 ЭТСШ-195 ТЛ ЭТСША-195 ТЛ А7-ГТМ	100-150	-2	-4
244,4	242,0	235,0	ЭТСШ-195 ЭТСШ-195 ТЛ ЭТСША-195 ТЛ А7-ГТМ	150-200	-3	-4
269,9	267,0	263,0	ЭТСШ-240 А9-ГТМ	200-250	-3 -3	-5 -4
295,3	295,0	284,0	ЭТСШ-240 А9-ГТМ	200-250	-3	-6

В данных КНБК первый (от долота) центратор размещается между шпинделем и первой секцией турбобура, а второй – между второй и третьей секциями турбобура.

Таблица 5.6. Минимальная длина колонны УБТ

Дд, мм	ДУБТ (ДТУБТ), мм	LУБТ, мм
1	2	3
При роторном способе бурения
140,5	146	24
215,3	178	24
244,5	178	24
244,5	203	32
269,9	178	40
269,9	203	32
295,3	178	40
295,3	203	40

Окончание таблицы 5.6

Дд, мм	ДУБТ (ДТУБТ), мм	LУБТ, мм
295,3	229	32
295,3	254	32
311,0	203	40
311,0	229	40
311,0	254	32
320,0	203	40
320,0	229	40
320.0	254	40
349,2	229	40
349,2	254	40
При турбинном способе бурения
215,9	195	24
244,5	195	24
269,9	195	32
269,9	240	40
295,3	240	40

При роторном способе бурения необходимая длина УБТ между калибратором и первым центратором определяется по формуле

, (5.6)

где h_д - высота долота, м;

l_ц - длина центратора, м;

l_к - длина калибратора, м.

Длина УБТ между первым и вторым центраторами определяется из выражения

, (5.7)

Отклонение продольных размеров жестких КНБК от расчетных значений не должно превышать ± 0,125 м.

Над КНБК необходимо устанавливать колонну УБТ, жесткость которой равна или близка жесткости забойного двигателя или УБТ, входящих в состав компоновки. Длина колонны УБТ, устанавливаемой над КНБК, должна быть не менее значений, приведенных в таблице 5.6. Общая длина УБТ определяется из условия передачи

75 % веса в качестве нагрузки на долото.