Бурильная колонна
.pdfгруппа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
1. Назначение и условия работы бурильной колонны
Связующим звеном между находящимся на поверхности буровым оборудованием и инструментом для разрушения породы является бурильная колонна. Она имеет многофункциональное назначение и может использоваться для:
1.направления ствола скважины;
2.создания нагрузки на долото и передачи ему вращательного
движения;
. восприятия крутящего момента при способе бурения забойными двигателями;
. подачи бурового раствора в забой;
. подъема и спуска забойных двигателей и долота;
. исследования пластов и др.
. проведения вспомогательных работ (проработка, расширка и промывка ствола скважины, ловильные работы и др.).
В случае возникновения аварийных ситуаций и других осложнений в скважине она служит обсадной колонной. А с применением вставного долота
- каналом для его спуска.
Из-за большой протяженности бурильной колонны, при любом способе бурения, разные ее участки испытывают различные нагрузки: сжатие,
кручение, растяжение, давление, продольный и поперечный изгиб.
Наибольшая нагрузка растяжения приходится на самую верхнюю трубу при подъеме колонны. При способе бурения с промывкой растягивающую нагрузку увеличивает поток жидкости внутри трубы. Жидкость в затрубном пространстве наоборот, снижает ее.
Трение о стенки скважины выступающих частей колонны, прилипание ее гладких частей к глинистой корке увеличивают силу трения. Не меньше сила сопротивления увеличивается за счет кривизны ствола скважины,
резких сужений.
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Динамические нагрузки на бурильную колонну, которые определяют долговечность и прочность забойного двигателя, долота и бурильной трубы,
наиболее тяжело учитывать. На вал забойного двигателя, низ колонны и долото эти нагрузки давят вследствие взаимодействия долота и забоя. На дальние участки колонны динамические силы действуют в процессе пульсации давящего бурового раствора, работы долота и забойного двигателя.
Причиной поперечных, продольных и крутильных колебаний очень разнообразны. В ухабистых забоях возникают продольные низкочастотные колебания. А высокочастотные колебания малой амплитуды обусловлены перекатыванием шарошек долота, скачкообразным разрушением породы и т.п.
Уводят долото в сторону поперечные силы, к которым приводит нестабильное сопротивление разрушения породы шарошками, зубьями. При этом возникает косой удар, который вызывает поперечные колебания.
Требования, предъявляемые к бурильной колонне Требования, предъявляемые к бурильной колонне, обусловлены
технологическими особенностями способа бурения, которые определяют условия работы, а так же геологическими особенностями разреза скважины.
Исходя из этого, разрабатывают рациональную конструкцию и подбирают наиболее подходящий материал для изготовления колонны.
Независимо от условий работы, должен выполняться проектный режим бурения, обеспечиваться устройство скважины проектной глубины с высокими техническими и экономическими показателями без каких-либо осложнений. Поэтому компоновка колонны обязана иметь высокую прочность своих составных элементов, способную выдерживать возможные нагрузки: ударные, инерционные, вибрационные, а так же избыточные давления - наружные и внутренние.
Конструкция составных элементов бурильной колонны (замки, муфты,
трубы и т.п.) должна обеспечивать надежный захват и прочное крепление
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
соединений. Требования к резьбовым соединениям - исключение самопроизвольного отвинчивания, но при этом легкость разборки и сборки.
В целом, колонна должна иметь минимальную массу и быть экономичной.
Изготавливают бурильную колонну из технологичных высокопрочных материалов, устойчивых к агрессивным средам и абразивному изнашиванию при трении.
двигатель бурильный колонна
Рис. 1 Бурильные трубы
2. Бурильная колонна, ее назначение и составные элементы
Рис. 2 Схема бурильной колонны
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Бурильная колонна - непрерывная многозвенная система инструментов, соединяющая наземное буровое оборудование (вертлюг) с долотом на забое скважины.
Состав бурильной колонны:
1.вертлюг
2.переводник вертлюга
. верхний переводник бурильной трубы
. ведущая труба
. нижний переводник ведущей трубы
. предохранительный переводник
. муфта бурильного замка
. бурильные трубы
. ниппель
. муфта
. 14. переводник
. 13. утяжеленные бурильные трубы
. Вспомогательные элементы:
1.Центраторы - для центрирования нижнего направляющего участка бурильной колонны в стволе скважины и предупреждения его самопроизвольного искривления - лопастные, шарошечные.
2.Калибраторы - для выравнивания стенок скважины до номинального диаметра и калибрования ее ствола - лопастные, шарошечные.
3.Стабилизаторы - для стабилизации работы нижнего направляющего участка бурильной колонны путем ограничения прогиба труб при наличии каверн, гашения поперечных и иных колебаний - с цельными лопастями, со сменными лопастями, с приваренными лопастями.
4.Амортизаторы - для снижения амплитуды динамических нагрузок - пружинные, резинометаллические, гидравлические, газовые.
5.Протекторные кольца - для защиты бурильных и обсадных труб
-резиновые, резинометаллические, пластиковые, металлические.
6.Обратные клапаны - для предупреждения поступления
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
загрязненного бурового раствора в бурильную колонну.
7.Фильтры - для предупреждения попадания в бурильную колонну посторонних предметов.
8.Металлошламоуловители - для улавливания кусков металла и крупного шлама.
9.Гидрояссы (гидроударники) - для освобождения бурильной колонны от прихватов.
10.Переводники - для соединения бурильных труб и др. элементов.
3. Порядок расчета бурильной колонны
Бурильная колонна при бурении, проведения спускоподъемных и других операций находится в сложном напряженном состоянии, подвергаясь воздействию статических и динамических нагрузок, вызывающих растяжение, сжатие, продольный и поперечный изгиб, скручивание и др. С
целью определения работоспособности элементов бурильной колонны и ее правильного конструирования производят специальные расчеты.
При роторном бурении на бурильную колонну действуют в основном следующие усилия:
1.осевое усилие растяжения от собственного веса колонны
2.при подъемке ее от забоя, когда наиболее опасное сечение находится в верхней части;
. осевое усилие сжатия от веса колонны, когда наиболее опасное сечение находится в нижней части;
. изгибающий момент, возникающий в результате действия центробежных сил;
. крутящий момент, передаваемый колонной для разрушения горной породы на забое;
. напряжение растяжения, вызванное прокачиванием раствора в колонне под давлением.
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
В зависимости от возникающих усилий рис. 2 опасным может являться верхнее сечение т-т в момент начала подъема (совместное действие растяжения от собственного веса и кручения); нижнее сечение п-п
бурильных труб в месте резьбового соединения (совместное действие усилий сжатия и кручения).
Обсадные колонны рассчитывают на прочность согласно инструкции,
разработанной ВНИИТнефти Наблюдения показали, что обсадные колонны разрушаются под действием избыточных внутренних и наружных давлений,
а также собственного веса. Распространены повреждения обсадных колонн вследствие их протирания бурильными трубами при роторном бурении и нарушения герметичности резьбовых соединений.
Прочность обсадных колонн рассчитывается по следующим условиям:
1.на внутреннее давление n = pт/pв ≥ [n];
2.на наружное давление S = ркр/рн ≥ [S];
. на растяжение K = рст/G ≥ [k]
где рт, ркр, рст - предельные внутреннее и наружное давления, и
растягивающая нагрузка обсадной колонны; рв, рн, G - избыточные внутреннее и наружное давления, растягивающая нагрузка; п, S, k - запасы прочности по внутреннему, наружному давлению и растягивающей нагрузке; [п], [S], [k] - допускаемые запасы прочности обсадных колонн по внутреннему, наружному давлению и растяжению.
Предельное внутреннее давление, характеризующее сопротивляемость трубы внутреннему давлению, определяется по давлению, при котором напряжения в меридиональном сечении трубы достигают предела текучести.
Величина этого давления, зависящая от диаметра, толщины стенки и материала трубы, вычисляется по формуле
рт = 2δσтс/D,
СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
где δ - номинальная толщина стенки трубы, мм; σт - предел текучести материала труб, МПа; D - наружный диаметр трубы, мм; с - коэффициент,
учитывающий допускаемое по ГОСТ 632-80 отклонение толщины стенки трубы от номинального значения (с=0,875).
Сопротивление трубы внутреннему давлению возрастает с уменьшением диаметра и увеличением толщины стенки и прочности материала труб. Предельные внутренние давления обсадных труб,
приводятся в справочниках по трубам нефтяного сортамента и в других литературных источниках