13. Принципы расчета бурильной колонны при бурении забойным двигателем. Какие нагрузки учитываются при этом расчете?

Целью проектирования и расчета колонны бурильных труб является разработка конструкции бурильной колонны, т.е. определение:

• Числа секций (ступеней);

• Длины каждой секции (диаметр предполагается был выбран ранее);

• Прочность труб каждой секции (марку стали, толщину стенки).

Конструкция, по возможности, должна быть выбрана рациональным способом, т.е. удовлетворяла одному из двух критериев:

• Обеспечивать минимальную массу бурильной колонны;

• Обеспечивать минимальную стоимость бурильной колонны.

Выбранная конструкция должна минимально изменяться в период всего цикла строительства скважины.

Классификация нагрузок и напряжений действующих на БК

• Дополнительная осевая нагрузка растяжения в подвешенной колонне от перепада давления в турбобуре

• Реактивный момент, воспринимаемый БК при работе забойного двигателя

• Статический изгибающий момент при размещении БК в искривленном стволе скважины

Исходные данные для расчета:

• Диаметр долота;

• Конструкция скважины;

• Способ бурения и условия бурения;

• Режим бурения;

• Ранее рассчитанная КНБК;

• Траектория скважины;

• Фактическое наличие номенклатуры бурильных труб.

Особенности расчета для вертикальных скважин:

1. При бурении вертикальных скважин исходным расчетным положением является подвешенное состояние БК на крюке (долото не касается забоя) с включенными насосами (т.е. при наличии циркуляции).

2. Колонну сперва рассчитывают на статическое растяжение, которое возникает в результате действия силы тяжести, приложенной к элементам БК, перепада давления в забойном двигателе и долоте с учетом выталкивающей силы Архимеда и силы трения.

3. Расчет секций БК производится снизу вверх.

Особенности расчета для наклонно-направленных и горизонтальных скважин

1. Исходное положение – подъем бурильной колонны из скважины, с включенными насосами.

2. Учитывается:

• вес бурильной колонны ниже рассматриваемого сечения;

• перепад давления в забойном двигателе и долоте;

• силы трения о стенки скважины;

• Архимедова выталкивающая сила;

• изгибающие напряжения, возникающие при протаскивании БК через искривленный участок скважины.

3. Расчет секций бк производится снизу вверх.

14. Принципы расчета бурильной колонны при бурении роторным способом. Какие нагрузки учитываются при этом расчете?

При роторном бурении бурильная колонна работает в более тяжелых условиях, чем при работе с забойным двигателем. Колонна подвергается совместному воздействию продольной нагрузки растяжения и крутящего момента, которые возрастают по мере удаления от забоя скважины, а также действию постоянного и знакопеременного изгиба и других динамических нагрузок.

Классификация нагрузок и напряжений действующих на БК

 Дополнительные переменные изгибающие нагрузки, возникающие при вращении БК

 Крутящий момент, необходимый для вращения БК в скважине и подвода мощности к долоту

 Изгибающий знакопеременный момент при вращении БК в искривленном стволе скважины

2 основных вида расчета:

1) Статический расчет

2) Расчет на выносливость

Для вертикальных скважин:

Где:

σ_р – напряжение растяжения;

τ -касательное напряжение;

Вся методика расчета на прочность остается та же, что и для вертикальных скважин.

Как показывает практика и расчеты, основную роль в формуле играет σ_р, поэтому допускается пользоваться упрощенным проверочным условием:

Для вертикальных скважин допустимая нагрузка :

Для наклонно-направленных, искривленных участков и морских платформ:

Вся остальная методика остается неизменной.

Расчет на усталостную прочность или выносливость

Он используется:

• В вертикальных скважинах для труб над УБТ

• В искривленных скважинах для всех труб, расположенных ниже точки искривления.

• Практика бурения показывает, что наиболее частой причиной аварий с бурильной колонной является усталостное разрушение металла элементов бурильной колонны. Усталость – это внезапное разрушение материала при напряжениях меньших предела прочности. Разрушение происходит в результате возникновения трещин в местах концентрации напряжений. Деталь разрушается мгновенно без видимых причин, хотя причина была – циклическое воздействие знакопеременного напряжения (пример: слом проволоки в результате нескольких ее перегибов).

• Предел выносливости (G­_-1) – это та максимальная амплитуда циклических напряжений, которую деталь может выдержать при 10⁶-10⁷ циклах нагружения. Предел выносливости определяется по справочным таблицам на основании данных натурных испытаний.

Расчет сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности (n):

знакопеременное и знакопостоянное напряжение изгиба.

- - временный предел прочности

- - напряжение растяжения в рассматриваемом сечении

С целью предотвращения усталостного износа бурильных труб, расположенных непосредственно над УБТ, следует использовать наддолотный комплект бурильных труб, имеющих достаточно большую усталостную прочность (предел выносливости). В качестве таких труб обычно используются трубы группы прочности «Д» с максимальной толщиной стенки.

При соблюдении этой рекомендации, как показывают результаты практических расчетов, проверка на выносливость бурильных труб при бурении вертикальных скважин в промысловых условиях не обязательна, т. к. коэффициент запаса прочности заведомо получается значительно больше допустимого. Но в процессе эксплуатации следует регулярно и тщательно проверять состояние труб при помощи дефектоскопии. Если же эта рекомендация не выполняется, проверочный расчет на выносливость становится крайне важным.