10. Основные виды нагрузок, действующих на бурильную колонну при бурении с гидравлическими забойными двигателями эпюра их распределения по длине колонны.

При всех способах бурения бур колонна находится в условиях сложного напряжённого состояния. Особенность работы в том, что различные её участки в один и тот же момент времени подвергаются действию различных динамических нагрузок: растяжению, сжатию, изгибу, кручению, внутреннему и наружному давлениям и избыточным давлениям.

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

1) нормальные напряжения, направленные вдоль оси колонны, - растяжения, сжатия, поперечного и продольно-поперечного изгиба; изгиб под действием поперечных сил, продольно-поперечный изгиб.

Эти напряжения обусловлены:

а) действием собственного веса бур колонны, течением и давлением ж-ти;

б) силами сопротивления перемещению;

в) инерционными силами;

г) поперечными силами (реакция стенок скважины);

2) окружные нормальные напряжения от сил давления ж-ти;

3) радиальные нормальные напряжения от давления ж-ти;

4) касательные напряжения, обусловленные крутящим моментом;

5) радиально-окружные напряжения в клиновых захватах.

I – схема компоновки;

II – эпюра осевых усилий при ненагруж долоте;

III - эпюра осевых усилий при бурении;

IV – эпюра крутящего момента при бурении:

При любом способе бурения на колонну действуют:

Осевая нагрузка растяжения от собственного веса бурильной колонны, подвешенной в скважине, и пере­пада давления в долоте. Продольное усилие сжатия в нижней части бурильной колонны, разгруженной на забой. Осевые динамические (инерционные) нагрузки, возникающие при проведении CПO. Дополнитель­ные осевые нагрузки, необходимые для преодоления местных сопротивлений и сил трения при подъеме бурильной колонны и для освобождения прихваченного инструмента.

Роторное бурение: Дополнительные переменные изгибающие нагруз­ки, возникающие при вращении бурильной колонны. Крутящий момент, необходимый для вращения ин­струмента в скважине и подвода мощности к долоту. Изгибающий знакопеременный момент при враще­нии бурильной колонны в искривленном стволе скважины

Бурение с ЗД: Дополнительная осевая нагрузка растяжения в под­вешенной колонне от перепада давления в турбобуре. Реактивный момент, воспринимаемый бурильной колонной при работе забойного двигателя Статический изгибающий момент при размещении бурильной колонны в искривленном стволе скважи­н.

Кроме того, в процессе бурения возникают крутильные колебания бурильной колонны и по ней проходят упругие волны

Колебательные процессы в бурильной колонне могут быть установившимися или неустановившимися в зависи­мости от характера возмущающей силы (периодический или случайный). На амплитуду и частоту колебаний существенно влияют материал, из которого изготовлены бурильные трубы, демпфирующее воздействие жидкости, заполняющей скважину, и сила трения колонны о стенки скважины.

10. Влияние давления и циркуляции жидкости на напряженное состояние колонны.

На колонну труб, погруженную в жидкость, действует архимедова сила, уменьшающая ее вес на величину, равную весу вытесненного объема жидкости. Величину облегчения колонны можно учесть через коэффициент облегчения , который равен

(1)

В любом сечении z, равном расстоянию от устья до этого сечения, одноразмерной (диаметр и толщина стенок труб одинаковы) колонны, подвешенной за верхний конец в вертикальной скважине, растягивающая сила F_z от действия собственного веса с учетом ее облегчения в жидкости будет равна

(2)

где m - приведенная масса 1 м труб с учетом высадок, муфт и замков (которая приводится в справочниках по трубам); g - ускорение сил тяжести; q = m g – приведенный вес 1 м труб; L – полная длина колонны;Из (2) видно, что растягивающее усилие линейно уменьшается с увеличением z (рис.6.17, ІІ), причем в интервале расположения УБТ более интенсивно

допускаемую (предельную) глубину спуска данных труб L_доп = / (3)

Выражение (3) показывает, что допускаемая глубина спуска одноразмерной колонны (при данных и ) определяется лишь прочностной характеристикой (пределом текучести) материала труб и не зависит от их площади сечения..

При циркуляции жидкости появляются дополнительные силы и напряжения, действующие на бурильную колонну. Нисходящий поток жидкости внутри трубы увеличивает растягивающую нагрузку на колонну из-за потерь и перепадов давления в трубах, УБТ, забойном двигателе и долоте, а восходящий поток за трубами снижает ее. Однако при существующем соотношениях размеров указанных элементов колонны снижением нагрузки кратно меньше по сравнению с увеличением ее. Следовательно, циркуляция жидкости создает дополнительную нагрузку и напряжение на трубы. Осевая растягивающая сила Fр и напряжения растяжения σ_{р вн} вызванные перепадом давления по длине колонны ∆р, определяются по формуле: Fр = ∆р*S₀; σ_{р вн}=∆р*S₀/S₁, где S₀ – площадь сечения проточного канала труб. Осевую силу Fр называют также гидравлической нагрузкой на трубы.