Технология бурения нефтяных и газовых скважин

Все рассмотренные  типы амортизаторов имеют постоянную упругую и частотную характеристики, что ограничивает более широкое их применение. Для согласованной работы амортизатора со свойствами разбуриваемых пород, которые непрерывно меняются, амортизатор должен иметь регулируемую упруго-частотную характеристику. Настройка амортизатора на данные породы производится на устье (при СПО), но было бы лучше — на забое. В перспективе необходимы автоматически (само) настраивающиеся амортизаторы (регуляторы) колебаний. Работы в этом направлении ведутся.

Протекторные  кольца предназначены для защиты бурильных и обсадных колонн (кондукторов, промежуточных колонн) от износа при вращении колонны и СПО.

  По  способу установки, крепления, материалу  и конструкции в настоящее время применяются протекторные кольца трех основных групп:

1. Резиновые - по ГОСТ 6365-74 и типа КП.
2. Резинометаллические — типа ПС.

3. Металлические  — типа ПЭ.

  Протекторы  группы 1 рекомендуется использовать в обсаженном стволе на трубах диаметром от 89 до 168 мм, группы 2 — от 89 до 147 мм и группы 3 — в необсаженном стволе на трубах диаметром от 114 до 147 мм.

  Протекторы  группы 1 представляют собой толстостенные  резиновые втулки, которые удерживаются на трубе благодаря натягу и приклеиванию. Их устанавливают над ниппелем замка  в разогретом виде (в воде с t = 7CN-90 °С) на клею УС-1 с помощью пневмомашин ПМНК.

  Обратные  клапаны устанавливаются с целью предупреждения поступления в бурильную колонну при отсутствии циркуляции обогащенного шламом бурового раствора из затрубного пространства и что более важно — пластового флюида, особенно газа, при вскрытии высоконапорного пласта. Поступление газа в колонну при герметизированном за трубами устье может привести к выбросу через колонну, а зашламленного раствора — к забиванию долот-ных отверстий и проточной части забойных двигателей. Последнее обусловливает обычно перелив жидкости через трубы (сифон) в течение всего процесса подъема инструмента.

  В настоящее время используются обратные клапаны различных конструкций, которые устанавливаются обычно на первой трубе над УБТ. В особо опасных случаях иногда устанавливают два обратных клапана один над другим.

  Фильтры предназначены для предупреждения попадания в бурильную колонну посторонних предметов (щепок, обрывков резины и др.), которые могут привести к забиванию проточных каналов гидравлических забойных двигателей и отверстий долота. Буровые насосы защищаются от них путем установки на их всасысающих патрубках щелевидных металлических фильтров. Более тонкие, обычно трубчатые, с большим числом мелких отверстий металлические фильтры, устанавливаемые обычно в первой трубе под ведущей штангой, способны удерживать также частицы песка (мелкого шлама), остающегося в растворе после его очистки. Периодическую чистку фильтров производят во время СПО или при наращиваниях колонны.

  Металлошламоуловители предназначены для улавливания мелких кусков металла, случайно попавших в скважину или оставшихся в ней после разбуривания и подъема металлических предметов (долота, его частей и др.) магнитным фрезером, а также крупных частиц шлама. Для подъема таких частиц требуется  большой скоростной  напор  за трубами,  что требует большого расхода жидкости.

  При использовании металлошламоуловителей большой скоростной напор при  номинальном расходе достигается  за счет уменьшения площади сечения  кольцевого пространства на небольшом участке от забоя до верхнего торца устройства. При резком снижении скорости жидкости выше этой точки частицы металла или шлама, опрокидываясь, попадают в межтрубное пространство устройства и в последующем (при СПО) извлекаются из скважины вместе с ним.

7. УСЛОВИЯ РАБОТЫ  БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

          При всех способах бурения  бурильная колонна находится в условиях сложного напряженного состояния. Особенность работы бурильной колонны как длинномерного упругого тела заключается в том, что различные ее участки в один и тот же момент времени подвергаются действию различных, большей частью динамических, нагрузок: растяжению, сжатию, изгибу, кручению, внутреннему и наружному давлениям и избыточным давлениям. Поэтому с практической точки зрения представляет интерес определение напряженного состояния наиболее нагруженных участков колонны с тем, чтобы выработать принципы эксплуатации, обеспечивающие ее длительную и безаварийную работу. Все многообразие нагрузок можно привести к силам и моментам, вызывающим:

1. нормальные напряжения, направленные вдоль оси колонны, — растяжения, сжатия, поперечного и продольно-поперечного изгиба; изгиб под действием поперечных сил называется поперечным изгибом, а если тело нагружено еще и продольной силой, то изгиб называется продольно-поперечным; эти напряжения обусловлены: а) действием собственного веса бурильной колонны, течением и давлением жидкости; б) силами сопротивления перемещению; в) поперечными силами (реакции стенок скважины); г) инерционными силами;
2. окружные нормальные напряжения от сил давления жидкости;
3. радиальные нормальные напряжения от давления жидкости;
4. сложные (радиально-окружные) нормальные напряжения (смятия) в клиновых захватах;
 

Рис. 6-17. Эпюры осевых усилий и моментов в бурильной  колонне:

/ — схема компоновки бурильной колонны; II — эпюра осевых усилий при ненагруженном долоте; III — эпюра осевых усилий в процессе бурения; IV — эпюра крутящего момента в процессе бурения (а — реактивный крутящий момент достигает устья; 6 — реактивный крутящий момент не достигает устья); не. — условно нейтральное сечение. 1 — забойный двигатель; 2 — утяжеленные бурильные трубы; 3 — колонна СБТ; 4 — колонна ЛБТ

  5) касательные напряжения, обусловленные  крутящим моментом.

  Эпюры осевых сил и крутящих моментов, действующих на бурильную колонну, применительно к бурению с забойными двигателями и роторным способом схематично представлены на рис. 6.17. Из них следует, что осевые силы и крутящие моменты для различных способов бурения по-разному распределены по длине бурильной колонны.

  На  эпюрах не отражено действие других видов  из перечисленных нагрузок. Поэтому рассмотрим эти вопросы несколько подробней.

7.1. СИЛЫ И НАПРЯЖЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДЕЙСТВИЕМ СОБСТВЕННОГО ВЕСА И ДАВЛЕНИЕМ ЖИДКОСТИ

             На колонну труб, погруженную в жидкость, действует архимедова сила, уменьшающая ее вес на величину, равную весу вытесненного объема жидкости. Величину облегчения колонны можно учесть через коэффициент облегчения К_р, который равен

(6.1)

  В любом сечении z, равном расстоянию от устья до этого сечения, одноразмерной (диаметр и толщина стенок труб одинаковы) колонны, подвешенной за верхний конец в вертикальной скважине, растягивающая сила F_z от действия собственного веса с учетом ее облегчения в жидкости будет равна

(6.2)

где т — приведенная масса 1 м труб с учетом высадок, муфт и замков (которая приводится в справочниках по трубам); д — ускорение свободного падения; q = тд — приведенный вес 1 м труб; L — полная длина колонны.

  Из (6.2) видно, что растягивающее усилие линейно уменьшается с увеличением z (см. рис. 6.17, II), причем в интервале расположения УБТ более интенсивно.

  Если  в (6.2) приведенный вес выразить через  площадь сечения по телу 5 и плотность материала р_м труб [q — S-p_M-g-k) и полученное выражение поделить на 5, то получим растягивающие напряжения а_р2 в сечении z:

(6.3)

где к — коэффициент приведения.

  Из (6.2) и (6.3) видно, что наибольшие растягивающая  сила и напряжения растяжения будут  иметь место при z = О, т.е. в самом верхнем сечении труб:

(6.4)

  Из (6.3) следует, что растягивающие напряжения не зависят от площади сечения труб.

  Если  во втором уравнении (6.4) положить а_р0 — [а], где [а] — допускаемые напряжения для материала труб, и решить его относительно L, то получим допускаемую (предельную) глубину спуска данных труб

(6.5)

  Выражение (6.5) показывает, что допускаемая  глубина спуска одноразмерной колонны (при данных к, К_р и р_м) определяется лишь прочностной характеристикой (пределом текучести) материала труб и не зависит от их площади сечения.

  Из (6.4) с учетом (6.1) следует, что с увеличением отношения р_ж/р_м,  т.е.  при уменьшении плотности материала труб

(использовании  ЛБТ) и увеличении плотности  жидкости (утяжеленные растворы) осевые  усилия и напряжения снижаются. Это позволяет резко (иногда кратно) увеличить глубину бурения.

  Распределение осевых усилий в процессе бурения  показано на рис. 6.17, ///. Из них видно, что нижняя часть колонны из растянутого переходит в сжатое состояние. При этом она подвергается продольно-поперечному изгибу и теряет прямолинейную форму устойчивости (см. раздел 6.7.3).

  Следует различать осевое усилие в первой сверху трубе Ftp и нагрузку на крюке F_Kp. Первое относится к внутренним силам, а вторая — к внешним. И численно они равны лишь в частном случае — при отсутствии циркуляции жидкости.

  При циркуляции жидкости появляются дополнительные силы и напряжения, действующие на бурильную колонну. Нисходящий поток  жидкости внутри труб увеличивает растягивающую нагрузку на колонну из-за потерь и перепадов давления в трубах, УБТ, забойном двигателе и долоте, а восходящий поток за трубами снижает ее. Однако при существующих соотношениях размеров указанных элементов колонны снижение нагрузки кратно меньше по сравнению с увеличением ее. Следовательно, циркуляция жидкости создает дополнительную нагрузку и напряжения на трубы.

  Осевая  растягивающая сила F_p и напряжения растяжения а_{р вн}, вызванные перепадом давления по длине колонны Ар, определяются по формуле

(б.б)

(6.7)

где S₀ — площадь сечения проточного канала труб.

  Осевую  силу F_p называют также гидравлической нагрузкой на трубы.

  Внутреннее  давление обусловливает в трубах внутреннее избыточное давление р_ви, определяемое как разность внутреннего р_в и наружного р_а давлений. Для произвольной глубины z оно равно

(6.8)

где р_у — давление на устье (на входе в бурильную колонну); Рт и р_к — плотности жидкостей в трубах и за ними; Лр_т и Ар_к — потери давления на единице длины в трубах и за ними.

Из выражения (6.8) видно, что наибольшее внутреннее избыточное давление имеет место при z = 0, т.е. на устье. Оно обусловливает окружные нормальные напряжения о_окр, стремящиеся разорвать трубы. Их величину можно приближенно найти по формуле

(6.9)

где D_B и t — внутренний диаметр и толщина стенки трубы; К_р — коэффициент разностенности труб (равный по стандарту 0,875).

  Иногда  наружное давление оказывается больше внутреннего, и колонна подвергается наружному избыточному давлению. Это может иметь место, например, после продавки цементного раствора за обсадную колонну (и при снятии устьевого давления), при вызове притока флюида из продуктивного пласта через спущенную в скважину бурильную колонну с испытателем пластов на конце и др. Избыточное наружное давление р_ни2 может быть также вызвано и разностью в плотностях жидкостей, находящихся за трубами и в них, и разностью уровней этих жидкостей, или того и другого одновременно

(6.10)

где h_т и h_к — высота столбов жидкостей в трубах и за ними соответственно.

  Если  р_{ни z} > р_кр, где р_кр — критическое (сминающее) давление, то может произойти смятие колонны. Величина р_кр может быть рассчитана по формуле Саркисова — Еременко, можно также воспользоваться табулированными значениями критического давления, которые приведены, например, в [2, 8]. Ныне применяемые бурильные трубы имеют высокие значения р_кр, и имеет смысл эти расчеты производить лишь при значительных глубинах спуска (500 м и более) или длине опорожнения (более 200 м) труб.