Технология бурения нефтяных и газовых скважин

(6.23)

где с  — эмпирический коэффициент; р_ж — плотность жидкости; I — длина бурильной колонны, м; Д, ^— наружный диаметр труб, м; л — круговая частота вращения колонны, об/мин.

По мнению B.C. Федорова формула (6.23) справедлива для необсаженной скважины, неутяжеленного раствора, частоты вращения п < 250 об/мин, труб без предохранительных колец, а < 35° и не учитывает особенностей профиля скважины. Значения с в зависимости от зенитного угла а, выраженного в градусах, можно найти по эмпирической формуле

с = 1,868-Ю-² + 2,071-Ю-³ а - 6,041-Ю-⁵ а² + 7,800-Ю-⁷ а³, (6.24)

которые описывают замеренные значения М^ с  погрешностью до 1,5 %.

  Формулой (6.23) можно пользоваться при приближенных (оценочных) расчетах и для вертикальных, и для наклонных скважин.

 

  Предложена  и другая эмпирическая зависимость  для определения крутящего момента:

(6.25)

где D_c — диаметр скважины.

  Еще менее определен закон распределения  крутящего (реактивного) момента при бурении с забойными двигателями. Однако характер изменения его известен хорошо: наибольший момент имеет место у долота (точнее — на корпусе забойного двигателя), а наименьший — где-то между забойным двигателем и устьем скважины (включая последнее). Здесь возможны два случая, которые определяются соотношением Мф и момента на долоте М_д и приведены на рис. 6.17, Л/а и Л/б.

1. M_w < M_A. Реактивный момент достигает устья и при открытом (незастопоренном) роторе вызывает его левое вращение. Обычно это имеет место при малой текущей глубине бурения (до 500—1000 м), в вертикальных скважинах, при бурении с забойными двигателями, развивающими большой крутящий момент. Распределение момента в растянутой части будет близко к линейному (с оговорками, относящимися к распределению момента при роторном бурении). Распределение его в сжатой части, как и в роторном бурении, в значительной мере неопределенное.

Мф > М_д. Реактивный момент не достигает устья и гасится где-то в точке Н_{м =0}. Если точка Н_{м =0} будет расположена в растянутой части колонны, то распределение момента между ней и н.с. (условно нейтральным сечением) будет приблизительно линейное, а в сжатой части  — как и в предыдущем случае.

  Крутящий  момент М_кр вызывает касательные напряжения х, которые определяются по формуле

(6.26)

где W_n — полярный момент сопротивления сечения, который определяется по формуле

(6.27)

 

7.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ  НАГРУЗКИ

             Все виды нагрузок, действующих  на бурильную колонну, до сих пор рассматривались в статической постановке. В действительности же и процесс механического бурения, и все сопутствующие ему технологические процессы по своей природе являются динамическими. Это означает, что любая из нагрузок имеет, помимо статической, и динамическую составляющую. Несмотря на то, что их средние значения обычно составляют лишь небольшую часть от статической, в ряде случаев они могут играть решающую роль.

  Наиболее  трудно поддающимися расчету нагрузками, значительно влияющими на прочность и долговечность всех элементов бурильной колонны, включая забойный двигатель (ЗД) и долото, являются осевые и моментные динамические нагрузки, порождаемые большим многообразием причин. Динамические нагрузки на нижнюю часть колонны обусловлены главным образом непосредственным динамическим взаимодействием долота с забоем. Удаленные участки ее испытывают динамические нагрузки, обусловленные колебательными процессами, возникающими и распространяющимися от долота, ЗД.

  Большое многообразие причин порождает одновременно продольные, крутильные, поперечные колебания  и в ряде случаев — автоколебания  различных частот и амплитуд.

  Низкочастотные  продольные колебания большой амплитуды (до 5—10 мм) возникают из-за ухабистости забоя, колебаний давления жидкости, разновысокости шарошек, а высокочастотные колебания малой амплитуды (0,1 — 2 мм) из-за хрупкого разрушения забоя, при перекатывании шарошек долота, работе ЗД. Возникшие продольные колебания вызывают изменение осевой нагрузки на долото и связанного с ней крутящего момента, что вызывает крутильные колебания.

     Последние возникают также из-за переменного сопротивления вращению долота, подклиниваний опор шарошек, заклиниваний долота, биения шарошек. Неравномерная нагруженность шарошек, их венцов и зубьев приводит к появлению поперечных сил. Возникает косой удар, вызывающий поперечные колебания. Последние возникают также из-за динамической неуравновешенности вращающихся масс элементов колонны. Переменный момент сопротивления обусловливает неравномерное вращение колонны и вала ЗД. При нелинейном (зависящем от частоты вращения, контактного давления) коэффициенте трения труб о стенки скважины в опорах ЗД это приводит к возникновению крутильных автоколебаний. Дополнительным источником колебаний колонны при бурении с плавучих средств являются вертикальные перемещения, бортовая и килевая качка судна, вызывающие соответственно продольные и поперечные колебания.

  На  частотный спектр колебаний сильно влияют способ бурения, характеристика ЗД с его автономной колебательной системой, тип опор, частота вращения долота. При совпадении или близких значениях собственных частот колонны и частот возмущений могут возникать резонансные явления. Если при роторном способе резонанс может возникать лишь на низких частотах и он обусловлен, главным образом, параметрами самой колонны, то при бурении с ЗД он может возникать и на низких, и на высоких частотах. Любое изменение режимных параметров (осевой нагрузки, расхода жидкости) и свойств пород при бурении с гидравлическими забойными двигателями (ГЗД) немедленно вызывает изменение частотного спектра возмущений, а следовательно, и реакцию колонны на возмущение. Отсюда, в частности, вытекает достаточно эффективный способ борьбы с резонансными явлениями путем простого изменения параметров режима бурения.

Роль  колебательных процессов в бурении  неоднозначна. С одной стороны, упорядоченные  колебания, повышая динамичность работы долота, интенсифицируют процесс разрушения пород и способствуют повышению механической скорости бурения. На этом основаны ударно-вращательный способ бурения, использование различного рода устройств в виде маховиков, волноводов, резонаторов, динамических регуляторов и т.д. Неупорядоченные, спонтанные колебания играют отрицательную роль. Они приводят к неравномерному разрушению забоя, образованию на нем ухабов, отскокам долота с последующим ударом о забой. При ударе резко увеличиваются осевая нагрузка и крутящий момент на долото, забойный двигатель, трубы, что может привести их к поломке. Колебания приводят также к расшатыванию узлов и деталей забойного двигателя, долота, развивают усталостные явления, .особенно в резьбах — концентраторах напряжений, и в конечном счете приводят к преждевременному износу и выходу их из строя. Поэтому в компоновку низа колонны рекомендуется включать различные амортизирующие устройства, способные существенно снижать пиковые значения этих нагрузок.

  Динамические  нагрузки на колонну возникают также  при СПО, запуске буровых насосов, ликвидации аварий, особенно с использованием ударных механизмов, взрывов, создании гидравлических импульсов и т.д. Динамические нагрузки, возникающие при подъеме бурильной колонны, обычно невелики и не представляют опасности для прочности бурильной колонны из-за ограниченности мощности грузоподъемного оборудования (ГПО). Поэтому ускорения а, следовательно, и инерционные нагрузки F„ при большом весе колонны ограничены этой мощностью, а при малом весе колонны — ее массой и инерционностью передаточных механизмов ГПО.

  

  Несколько иначе обстоит дело при спуске колонны, когда а и F„ могут достигать значительных величин при неудачном выборе режима торможения колонны. Основным условием предупреждения больших F_B при спуске является ограничение максимальной скорости спуска перед торможением v_oc и правильный выбор пути торможения /_т. При постоянном тормозном усилии на барабане лебедки а можно принять постоянным (что допустимо). Тогда 
 
 

      (6.28)

  Из  этой формулы видно, что с увеличением  скорости спуска и уменьшением пути торможения ускорение и инерционные силы резко возрастают. Особенно опасна наблюдающаяся иногда на практике ударная посадка колонны на элеватор или клиновые захваты. При захвате труб клиньями даже при безударной посадке в трубах возникают сложные сминающие напряжения, обусловленные радиальными и окружными нормальными напряжениями. При роторном бурении могут возникать значительные инерционные моментные нагрузки, обусловленные крутильным ударом при заклиниваниях долота. При запуске буровых насосов возможны гидравлические удары в нагнетательной линии при быстром закрытии пусковых задвижек.

  Таким образом, бурильная колонна подвергается разнообразным по характеру и величине динамическим нагрузкам. 
 
 

 

  

7.6. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ  НА РАБОТУ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

             В условиях скважины бурильная колонна находится  в среде абразивных и коррозионно-активных горных пород и промывочной жидкости, что обусловливает абразивный, эрозионный и коррозионный износ ее элементов.

  Об  абразивном изнашивании наружной поверхности бурильной колонны и ее элементов было уже сказано. Интенсивность абразивного изнашивания возрастает с увеличением прижимающей силы и коэффициента сопротивления движению. Следовательно, при прочих равных условиях с увеличением веса бурильной колонны, глубины скважины, усложнением профиля скважины, абразивности горных пород она будет увеличиваться. С ростом глубины бурения износ усиливается как из-за увеличения веса колонны, так и объема СПО. Если при бурении с забойными двигателями колонна изнашивается главным образом при СПО, то при роторном бурении при глубинах до 2500 — 3000 м трубы изнашиваются в основном в процессе механического бурения, а при больших глубинах — преимущественно при СПО. Абсолютная величина износа пропорциональна второй — третьей (а иногда и четвертой) степени глубины бурения.

  Практика  бурения показывает, что наибольшему  износу при СПО подвержены наружные поверхности замков, муфт и др. При  трении о твердые и абразивные породы на поверхности труб, особенно у замков, часто образуются глубокие борозды, надрезы, риски. Аналогичные повреждения на поверхности замков образуются от сухарей буровых ключей, которые могут являться центрами коррозии.

  При недостаточной герметичности резьбовых  соединений через них возможны утечки жидкости, которые могут явиться причиной эрозионного износа колонны. Вероятность утечек возрастает с увеличением перепада давления в трубах и за ними, т.е. в верхней части колонны. Однако герметичность может нарушиться и при раскрытии резьбовых соединений из-за продольного или поперечного изгиба,  на участках каверн в нижней сжатой части. Утечки абразивной жидкости, вначале незначительные, за короткое время могут перейти в мощную струю и привести к размыву резьбового соединения, а иногда образовать промоину в теле трубы — при наличии в нем трещины.

  Эрозионный  износ колонны в большей мере характерен бурению с ГЗД.

  Нарушение целостности поверхности труб ускоряет и процесс их коррозионно-усталостного изнашивания, обусловливаемого присутствием в промывочной жидкости атомарного кислорода, водорода, двуокиси углерода, сероводорода, растворенных солей и кислот, которые могут поступать в промывочную жидкость либо вместе с пластовой жидкостью, газами, шламом, либо образуются в результате химических реакций.

  Водородное охрупчивание и сульфидное растрескивание в ряде случаев являются самым опасным видом коррозии. Атомарный водород, являющийся продуктом большинства коррозионных реакций, может длительное время сохраняться в присутствии сульфида, поступающего, например, с пластовой водой. Проникая в структуру металла, при достижении критической концентрации он может вызвать внезапное хрупкое разрушение в местах концентрации напряжений, источником которых являются резьбовые соединения. Интенсивность водородного охрупчивания сталей повышается с ростом концентрации атомарного водорода, прочности сталей, величины напряжений, продолжительности их действия, температуры и т.д. Наличие окалины, мелких трещин, механических надрезов, неоднородность химического состава и микроструктуры металла и других дефектов, концентрация напряжений также усиливают коррозию.

  Все перечисленные виды износа в сочетании  с ударными и вибрационными осевыми  и моментными нагрузками могут постепенно привести к снижению прочности и  герметичности, а иногда и к полному выходу из строя (поломке, промыву и др.) первоначально прочных и герметичных труб.