Бурильная колонна
РЕФЕРАТ
Бурильная колонна
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.
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.
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
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
. 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
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;
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,
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