4.5. Опорно-центрирующий инструмент
Центрирование бурильного и породоразрушающего инструментов в скважине осуществляется с помощью опорно-центрирующих инструментов, основные конструкции которых показаны на рис. 4.6. Эти инструменты довольно условно делятся на три группы в зависимости от места установки и длины l рабочей части. Инструмент, устанавливаемый непосредственно над породоразрушающим инструментом, называется калибратором. Инструмент, устанавливаемый в составе УБТ, называется центратором или стабилизатором. Если отношение длины рабочей части l к D меньше восьми, то это центратор, а если больше, то стабилизатор. Поэтому в отечественной технической литературе все опорно-центрирующие инструменты именуются либо калибраторами, либо центраторами, а в зарубежной – стабилизаторами.
Рис. 4.6. Опорно-центрирующие инструменты: а – четырехлопастной;
б – трехлопастной спиральный; в - трехшарошечный
Наиболее простые инструменты имеют лопасти вдоль образующей цилиндра (рис. 4.6,а). Число лопастей четыре или шесть. Их недостаток в том, что они не обеспечивают контакт со стенкой скважины по всей ее окружности. Этот недостаток устранен в трехлопастных инструментах со спиральной конструкцией лопастей (рис. 4.6,б). Рабочие поверхности лопастей оснащаются твердосплавными зубками или зубками из сверхтвердых композиционных материалов. Кроме того, проводится дополнительное армирование наплавкой твердого сплава. Недостатком лопастных инструментов является повышенное сопротивление вращению. Этот недостаток устранен в шарошечных инструментах (рис. 4.6,в). Рабочие поверхности шарошек оснащаются подобно шарошкам долот. Шарошечные опорно-центрирующие инструменты находят ограниченное применение из-за быстрого износа осей шарошек.
4.6. Принципы выбора и расчета бурильной колонны
При роторном бурении бурильная колонна компонуется из стальных труб (СБТ) в верхней части и из УБТ в нижней части. Длина УБТ выбирается из условия, чтобы вся осевая нагрузка создавалась их весом с коэффициентом запаса 1,33.
При бурении забойными двигателями в верхней части бурильной колонны могут использоваться легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ), т. е. снизу вверх колонна будет иметь секцию из УБТ, секцию из стальных и секцию из ЛБТ. При бурении забойными двигателями допускается создание осевой нагрузки на долото весом стальных бурильных труб. Длины секций определяются расчетом.
Создание осевой нагрузки на долото сопровождается потерей продольной устойчивости сжатой части труб. Расчетом определяются сечения наибольшего прогиба колонны и предусматривается установка опорно-центрирующих инструментов в расчетных сечениях.
При выборе соотношения диаметров долота и бурильных труб за основу принято условие минимума гидравлических сопротивлений в скважине, которые складываются из гидравлических потерь при движении жидкости в трубах и гидравлических потерь при движении жидкости в кольцевом зазоре между стенкой скважины и трубами. Аналитическое решение этой задачи приводит к результату
где d- диаметр бурильной трубы; D – диаметр долота. К настоящему времени сложились в нефтедобывающих районах устойчивые сочетания диаметров забойных двигателей и инструментов. Например, в Урало-Поволжье эти соотношения следующие, мм:
D Dзд DУБТ d
190,5 172 146 (152) 114
215,9 195 178 127
Диаметры опорно-центрирующих инструментов равны диаметру долота.
Расчет и конструирование бурильной колонны начинают с выбора длин секций УБТ, стальных и легкосплавных труб. Чтобы избежать опасной концентрации напряжений в переходе от УБТ к стальным трубам, устанавливают одну или две трубы УБТ уменьшенного диаметра. Затем проводят проверочный расчет и уточняют толщины стенок труб и их материал. При бурении с забойными двигателями проводят упрощенный расчет на растяжение при суммарном действии веса забойного двигателя, элементов колонны, расположенных ниже рассматриваемого сечения, и перепада давления бурового раствора на долоте и забойном двигателе. В наклонных скважинах расчет выполняют с учетом изгиба труб и сил трения о стенку скважины.
При роторном бурении расчет проводят при условии совместного действия растяжения и кручения, которое возрастает по мере удаления от забоя. Средняя часть колонны испытывает знакопеременные нагрузки, а поэтому ее проверяют на усталостную прочность.
Применительно к спуско-подъемным операциям выполняют проверку труб на смятие в клиновом захвате, которым колонна удерживается в роторе в подвешенном состоянии. При необходимости проводят также проверку труб на внутреннее и наружное избыточные давления.