Бурильная колонна

БК является связующим звеном между механизмами расположенными на дневной поверхности и инструментом, расположенном в стволе скважины.

Функции БК:

1. канал для подвода энергии на забой (механической, гидравлической, электрической);

2. воспринимает и передает реактивный крутящий момент при бурении забойным двигателем;

3. канал для осуществления круговой циркуляции бурового рабочего агента (жидкий, газо-жидкостной, газовый). Прямая промывка – внутритрубное пространство, забой, затрубное пространство, устье. Обратная промывка – наоборот;

4. служит для создания (весом нижней части БК) или передачи (при принудительной подаче на долото) осевой нагрузки на инструмент. БК гасит реакцию от работающего долота (динамическая нагрузка) и углы закручивания;

5. служит каналом связи для получения информации с забоя и управляет воздействием на долото.

При СПО колонна служит для:

1. спуска долота, забойных двигателей, КНБК;

2. спуска в ствол скважины различных контрольно-измерительных приборов;

3. промывки и проработки ствола скважины, удаления шлама

При креплении БК служит для подачи цементного раствора в затрубное пространство, для спуска обсадных колон, хвостовиков, летучек.

При ликвидации аварий и осложнений, при исследовании и освоении БК служит:

1. для закачки и продавки в пласт тампонирующих материалов;

2. для спуска и установки пакера с целью разобщения пластов или проведения исследований либо нагнетания жидкости при поглощении;

3. для установки цементных мостов в зонах поглощения, обвалов и осыпей;

4. для спуска ловильного инструмента и работы с ним.

При бурении с отбором керна БК используется для доставки керна на поверхность. БК (за исключением недавно появившихся непрерывных бурильных труб) обычно составляется при помощи резьбовых соединений. При подъеме или спуске БК обычно разбивается на звенья – свечи, длиной обычно до 25 м. Свеча может состоять из 2, 3, 4 труб соответственно длиной 12, 8 и 6 м. Свечи ставятся на подсвечник, площадь которого зависит от глубины скважины (чем глубже скважина, тем больше подсвечник).

Двухтрубка – две неразборных 6-метровых трубы.

УБТ – утяжеленные бурильные трубы – используются для создания необходимой нагрузки на долото. Имеют большую прочность, массу, жесткость. На искривленных участках их следует применять осторожно. При применении УБТ могут гаситься реактивные моменты. При остановке бурения может регулироваться неуправляемое искривление ствола скважины, обеспечивается жесткость КНБК, но может быть получена авария с долотом при неверно подобранной нагрузке.

Принципиальная схема компоновки КНБК при бурении забойными двигателями: 1 – ствол вертлюга, 2, 7 – правая и левая трубные резьбы, 3 – переводник вертлюга, 4, 9 – левая и правая замковые трубы, 5, 8 – верхний и нижний штанговые переводники, 6 – ведущая труба, 10 – предохранительный переводник, 11 – замковая резьба, 12 – замковая муфта, 13 – трубная резьба, 14 – БТ, 15 – соединительная муфта, 16 – переходный переводник, 17 – предохранительное кольцо, 18 – УБТ, 19 – амортизатор, 20 – муфтовый переводник, 21 – центратор, 22 – БТ, 23 – центратор-калибратор, 24 – долото.

В состав БК обычно включают стабилизатор, фильтры, металлошламоуловитель, обратные клапаны, расширители, резонаторы (гасят виброколебания), маховики, протекторные кольца, механизмы волновой подачи, отклонители – для угла набора кривизны. Каждый элемент КНБК выполняет свою собственную функцию, кроме БТ и соединений.

Требования к БК и ее составным элементам

1. довести скважину до проектной глубины

2. исключить максимально возможные аварии и осложнения

3. получить высокие технико-экономические показатели.

Для этого БК должна:

• иметь рациональную компоновку, высокую прочность составных элементов, противостоять растягивающим, сжимающим, крутящим, инерционным, статическим, динамическим, закономерным и др. нагрузкам;

• обеспечивать нормальную циркуляцию раствора с наименьшими гидропотерями;

• обеспечить выполнение любых технологических операций, включая отбор керна и аварийные работы;

• иметь надежную конструкцию труб, муфт и замков, исключающую заедание или самоотвинчивание, все детали должны быть взаимозаменяемыми;

• материалы БК должны быть коррозионностойкими, износостойкими, т.к. они не только трутся при работе с инструментом и породами, но и должны иметь высокую прочность, вязкость и технологичность в изготовлении;

• Колонна должна быть очень экономичной.

Классификация БТ

1. Классификация по категориям скважин (см. классификация скважин) +трубы для КРС;

2. По способу бурения (роторное, ГЗД, электробурение);

3. По назначению (БТ, УБТ, ЛБТ, ведущие трубы, для ремонта);

4. По материалу (ЛБТ, стальные);

5. По магнитным свойствам (ферромагнетики и парамагнетики), магнитные – для специальных видов работ;

6. По прочности материала труб (обычные, повышенной прочности);

7. По способу соединения между собой (цельные и сборные);

8. По фактическому состоянию труб в процессе эксплуатации (1, 2, 3 классы).

Условия работы бурильной колонны

БК при всех условиях работы находится в сложном напряженном состоянии. Ее рассматривают как упругое длинномерное тело, разные участки которого в один и тот же момент подвергаются различным видам нагружения:

1. σ – нормальное напряжение растяжения/сжатия, силы направлены вдоль оси колонны (растягивающие положительные, сжимающие отрицательные). Поперечными касательными напряжениями τ силы действуют перпендикулярно к оси колонны. При совместном действии σ и τ возникает изгиб – продольно-поперечный.

2. Окружные нормальные напряжения от сил давления жидкости.

3. Радиальные напряжения от давления жидкости.

4. Сложные сминающие нормальные напряжения в клиновых захватах.

5. Касательные напряжения, обусловленные касательным моментом.

На колонну труб, погруженную в жидкость, действует архимедова сила, уменьшающая ее вес на величину, равную весу объема вытесненной жидкости . Величину облегчения высчитывают по коэффициенту облегченияK.

В любом сечении Z (равном расстоянию от устья до этого сечения) для одноразмерной колонны, подвешенной на роторе, растягивающая сила будет равна F_z=m(L-Z)·q·K=q(L-Z)·K, где m – приведенная масса труб, g – ускорение свободного падения, q – масса 1 погонного метра, L – полная длина колонны, Z – расстояние до сечения, K – коэффициент облегчения.

Анализируя формулу видно, что растягивающие усилия линейно уменьшаются с увеличением интервала Z, причем более интенсивно в интервале УБТ (см. рис. эпюр).

При циркуляции промывочной жидкости появляются дополнительные силы и напряжения, действующие на БК. Нисходящий поток жидкости растягивает ее дополнительно. Появляется перепад напряжения по сечению трубы. Восходящий поток жидкости сжимает колонну, разность между давлением внутри и снаружи колонны также создает дополнительное напряжение.

При роторном бурении крутящий момент равен сумме моментов: момент на долоте + момент трения.

При бурении ГЗД возможны два случая:

1) М_тр<М_д – при незастопоренном роторе реактивный момент достигает устья скважины и вызывает его обратное вращение.

2) М_тр>М_д – реактивный момент не достигает устья, гасится в нейтральном сечении.

Крутящий момент вызывает касательные напряжения:

W_p – осевой момент сопротивления.

Рассмотрим динамические нагрузки:

Наиболее трудно рассчитываются осевые и моментные динамические нагрузки. Рассмотрим автоколебания различных частот и амплитуд. Низкочастотные продольные колебания больших амплитуд (5-10 мм) возникаю из-за ухабистости забоя, разновысокости шарошек, из-за колебаний давления жидкости. Высокочастотные колебания малой амплитуды (0,1-2 мм) возникают из-за хрупкости пород и неравномерности работы забойного двигателя.

С одной стороны, колебательные движения способствую процессу бурения. На этом основан роторный способ бурения. Это способствует применению маховиков, резонаторов, волноводов, динамических регуляторов. Не упорядоченные максимальные колебательные процессы отрицательно влияют на бурение, могут привести к поломке, аварии. Здесь включают амортизаторы.

Динамические нагрузки на БК возникают при СПО (при спуске больше, при подъеме чуть меньше), при пуске бурильных насосов, при ликвидации аварий и пр.

Абразивное изнашивание увеличивается с увеличением веса БК, усложнением профиля абразивности горных пород. Наибольший износ у муфт и замков.

Эрозионный износ колонны чаще всего в резьбовых соединениях при бурении ГЗД.