2.2. Напряжения, возникающие в трубах во время работы

бурильные трубы

Бурильные трубы в скважине представляют длинный гибкий полый стержень, который передает вращение от ротора к долоту и служат каналом, подающим промывочную жидкость к забою скважины.
Бурильные трубы во время работы поддерживают в подвешенном состоянии лебедкой, но, чтобы дать долоту на забое необходимое давление для разрушения породы, колонну бурильных труб несколько спускают, передавая этим вес части колонны на долото, а следовательно, и на забой.
Верхняя часть колонны аb будет висеть на крюке и подвергаться растяжению под действием собственного веса и кручению от ротора. Эти усилия будут максимальны в месте подвески к вертлюгу. Нижняя часть, вес которой передан на забой, будет подвергаться сжатию от собственного веса, причем каждая труба будет испытывать в отдельности сжатие от собственного веса и от веса труб, расположенных выше.Если длина этой части колонны превосходит некоторую критическую длину для данной нагрузки, то колонна принимает изогнутую форму. Кроме указанных сжимающих сил, на рассматриваемую часть колонны бурильных труб действуют также центробежные силы, усиливающие искривление труб, и, наконец, на всю колонну труб действует еще крутящий момент от ротора.


Напряжения в верхней части колонны. На эту часть колонны будут действовать усилия от собственного веса колонны и усилия вращения, получающиеся в колонне под действием крутящего момента, передаваемого колонне ротором. В колонне бурильных труб возникают также усилия, вызываемые прокачкой глинистого раствора. Эти усилия - растягивающие. Они равны примерно 10% усилий, вызываемых от собственного веса труб. Ввиду незначительной величины эти усилия обычно не принимают в расчет.
Напряжения в нижней части колонны. Искривление нижней (сжатой) части бурильной колонны в процессе бурения в скважине определяется в основном совместным действием центробежных и сжимающих сил. Процесс искривления протекает следующим образом:

искривленная от центробежных сил при холостом вращении бурильная колонна доводится до забоя, и при посадке долота на последний часть веса нижних бурильных труб передается на забой. При этом нижняя часть колонны сжимается и к искривлению от центробежных сил добавляется искривление от сжатия (продольный изгиб). Полное искривление нижней части колонны можно установить, учтя совместное действие обеих нагрузок.
Рассмотрим влияние критической скорости вращающейся колонны бурильных труб. Последние будут сохранять свое прямолинейное состояние равновесия до тех пор, пока потенциальная энергия бурильной колонны будет больше работы центробежных сил. Если увеличивать скорость вращения, то период колебания вращающихся труб будет увеличиваться, трубы будут терять, свою устойчивость и способность сопротивляться изгибу и при некоторой величине угловой скорости со устойчивым состоянием равновесия для них будет изогнутое положение упругой линии.
В процессе бурения бурильный инструмент в скважине может находиться в трех состояниях:
1) инструмент вращается с постоянной угловой скоростью на холостом ходу, т. е. трубы находятся в состоянии растяжения и частично изгиба вследствие влияния вращающихся масс;
2) инструмент спущен в скважину и установлен на забой, но не вращается; тогда нижняя часть труб находится в состоянии сжатия, а верхняя - в состоянии растяжения;
3) инструмент находится в процессе бурения, т. е. нижняя часть сжата, а верхняя растянута; кроме того, при этом бурильные трубы подвергаются изгибу от возникающих центробежных сил, кручению от приложенного вращающего момента, а также продольным и крутильным колебаниям.

Допустим, что бурильные трубы во время вращения изогнулись по некоторой кривой, являющейся в общем случае синусоидой.
Вполне очевидно, что искривление скважины при вращательном бурении зависит главным образом от винтовой формы оси бурильной колонны, где минимальный шаг винта находится в нижней части бурильных труб, а максимальный - в верхней части последних. Сжимающее продольное усилие в трубах и момент центробежных сил при вращении последних способствуют увеличению кривизны винтовой линии и уменьшению ее шага, а жесткость колонны содействует сохранению вертикальности оси скважины.
Если бурильные трубы вращаются с постоянным числом оборотов, соответствующим числу оборотов ротора, то момент центробежных сил принимает свое максимальное значение и, несмотря на винтообразную форму длинного бурящего вала, ось долота все время перемещается, образуя некоторый конус с вертикальной осью скважины, обращенный вершиной вверх. При этом режиме работы бурильного инструмента возможность искривления скважины значительно уменьшается. Если же при неравномерной подаче долота или прихвате последнего на забое отдельные витки спирали вдавливаются, что особенно заметно по износу замков и муфт, в стенки скважины, образуя в последних желоба, то упругая спираль, какой является бурильный инструмент, перестает вращаться как твердое тело и искривленная ось его остается неподвижной.
В этом случае долото не меняет своего направления при каждом обороте, ось скважины искривляется.
В динамической системе, какой является бурильный инструмент в процессе бурения скважины, в бурильных трубах в результате их напряженного состояния накопляется потенциальная энергия, в результате же их вращения - кинетическая. При глубоком бурении вращательным способом переход кинетической энергии в потенциальную при ее значительной величине может привести к такому значению концентрации напряжений, что бурильные трубы сломаются, особенно в случае заклинивания долота или в резких местах искривления скважины.

Если величина кинетической энергии в четыре раза превосходит величину потенциальной энергии, то добавочный упругий момент Мл в трубах при прихвате долота или труб будет превосходить нормальный рабочий момент М в два раза, а так как нормальный и дополнительный моменты должны складываться, то бурильная колонна при прихвате долота или труб должна выдерживать тройную нагрузку от нормальной, что и соответствует вышеизложенному положению.
Но М определяет собой момент на долоте, т. е. соответствует передаваемой на забой полезной мощности. Фактически же вследствие наличия сопротивлений в скважине от трения и движения в жидкости М > М и, следовательно, возможная величина перегрузки бурильных труб от прихвата долота или труб, определяемая моментом Мя, будет значительно меньше.
Необходимость передачи давления долота на забой за счет части веса бурильных труб вызывает, как мы уже видели, изгиб бурильных труб.
Наличие на свечах бурильных замков придает им в местах соединения замков повышенную жесткость. Эта жесткость выражается произведением двух множителей. Подсчет показывает, что жесткость бурильных труб в замках в четыре раза и более превышает жесткость бурильных труб в их нормальном сечении. Кроме того, замки обладают значительно большим весом, чем трубы (на единицу длины).
При расчете бурильная свеча обычно рассматривается как балка с заделанными концами, причем считают, что в замках имеют место моменты заделки.
Подсчет показывает, что моменты заделки приблизительно в два раза больше, нежели в середине трубы. Этим и объясняется частая поломка труб вблизи замка.
Ввиду сложности выводов изгибающих моментов под действием всех приложенных сил с учетом особенностей этого изгиба приводим готовую для определения изгибающих моментов, рекомендуемую проф. Г. М. Саркисовым: для верхнего пролета.
Напряжения в резьбовых соединениях. Хотя усилия, действующие на соединения бурильных труб, те же, что и в теле трубы, характер деформаций, а также распределение напряжения здесь из-за специфических особенностей резьбы значительно сложнее. Резьба на трубе нарезается конусная; она предназначена для создания непроницаемого соединения между бурильной трубой и замком, а также для предохранения бурильных труб от развинчивания при толчках и раскручивании бурильных труб во время заклинивания долота при бурении.
Несмотря на наличие у бурильных труб утолщенных концов, все же при бурении трубы ломаются, причем чаще всего в местах их соединений или поблизости от них. Этому, возможно, способствуют дополнительные напряжения в резьбе, возникающие в результате ввинчивания конусного конца трубы в муфту замка; при этом происходит деформация трубы и муфты. Радиально направленное давление, вызывающее эту деформацию, будет сжимающим для трубы и растягивающим для муфты. Обозначив приращение радиуса муфты через Д1, а уменьшение радиуса трубы через Д2, можем получить общую деформацию Д.
Необходимо отметить, что при наших подсчетах мы принимали, что между конусом трубы и конусом муфты имеется полное совпадение, чего практически не бывает. Это несовпадение конусности будет приводить к тому, что при окончательном довинчивании наиболее зажатой оказывается резьба трубы или у конца конуса или у его основания.

Понравилась эта статья? Поделитесь ею!