Основные виды нагрузок, действующих на бурильную колонну, при роторном способе бурения. Эпюра их распределения по длине колонны.

При всех способах бурения бур колонна находится в условиях сложного напряжённого состояния. Различные участки бур колонны подвергаются действию различных, в большей степени динамических нагрузок: растяжению, сжатию, изгибу, кручению, внутреннему и наружному давлению и избыточным давлениям.

Все нагрузки 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, продольно-поперечный изгиб.

Эти напряжения обусловлены:

а) действием собственного веса бур колонны, течением и давлением ж-ти;

б) силами сопротивления перемещению;

в) инерционными силами;

г) поперечными силами (реакция стенок скважины);

2) окружные нормальные напряжения от сил давления ж-ти;

3) радиальные нормальные напряжения от давления ж-ти;

4) касательные напряжения, обусловленные крутящим моментом;

5) радиально-окружные напряжения в клиновых захватах.

Условия работы БК зависят от многих факторов:

1) величина и характер действующих нагрузок, их сочетание определяет сложное напряжённое состояние материала труб;

2) наличие мест концентраций напряжений (резьбовое соединение и др.);

3) коррозионное воздействие среды;

4) абразивное воздействие на бур колонну стенок скважины и тв частиц, находящихся в бур р-ре;

5) Возникновение колебательных процессов и резонансных явлений в БК.

При роторном способе бурения на БК дейст след виды нагрузок:

1) осевая нагрузка растяжения от собственного веса БК и перепада давления на долоте;

2) продольное усилие сжатия в нижней части БК, разгруженной на забой;

3) осевые динамические (инерционные) нагрузки, возникающие при СПО;

4) дополнительные осевые нагрузки, необходимые для преодоления местных сопротивлений при подъёме БК и для освобождения прихваченного инструмента;

5) дополнительные переменные нагрузки (изгибающие), возникающие при вращении БК;

6) крутящий момент, необходимый для вращения инструмента в скважине и подвода мощности к долоту;

7) изгибающий знакопеременный момент при вращении БК в искривлённом стволе скважины.

Н.С. – условно нейтральное сечение;

I – схема компоновки;

II – эпюра осевых усилий при ненагруж долоте;

III - эпюра осевых усилий при бурении;

Эпюра распределения.

Условия работы бурильной колонны зависят от весьма разнообразных факторов, наиболее существенные из ко­торых следующие:

Величина и характер действующих нагрузок; их сочетание определяет сложное напряженное состояние материала труб (некоторые из действующих нагрузок не поддаются определению с достаточной точностью); наличие мест концентрации напряжений (резьбовое соединение; сочленение элементов бурильной колонны раз­личной жесткости, например замка с бурильной трубой, бурильной трубы с УБТ и т.п.); коррозионное воздействие среды, в которой находится бурильная колонна (рН среды, электрический потенциал, вредные примеси в буровом растворе, температура); коррозионное воздействие влечет ухудшение показателей прочности материала труб и других элементов бурильной колонны; абразивное воздействие на бурильную колонну стенок скважины и твердых частиц, находящихся в циркулирую­щем буровом растворе; оно приводит к износу элементов бурильной колонны и соответственно к изменению их конструктивных размеров, что, в свою очередь, обусловливает рост напряжений при неизменной действующей нагрузке; возникновение колебательных процессов и резонансных явлений в бурильной колонне.

Величины и характер нагрузок, действующих на колонну, зависят от способа бурения, траектории и состояния скважины, применяемых режимов бурения, технического состояния наземного оборудования, оснащенности его средствами механизации, автоматизации и контроля, а также от квалификации бурового персонала.

В процессе бурения бурильная колонна подвергается действию статических, динамических и переменных (в том числе циклических) нагрузок. Характер действующих нагрузок и их распределение по колонне в значительной степени определяются способом бурения.

При любом способе бурения на колонну действуют:

Осевая нагрузка растяжения от собственного веса бурильной колонны, подвешенной в скважине, и пере­пада давления в долоте. Продольное усилие сжатия в нижней части бурильной колонны, разгруженной на забой. Осевые динамические (инерционные) нагрузки, возникающие при проведении CПO. Дополнитель­ные осевые нагрузки, необходимые для преодоления местных сопротивлений и сил трения при подъеме бурильной колонны и для освобождения прихваченного инструмента.

Роторное бурение: Дополнительные переменные изгибающие нагруз­ки, возникающие при вращении бурильной колонны. Крутящий момент, необходимый для вращения ин­струмента в скважине и подвода мощности к долоту. Изгибающий знакопеременный момент при враще­нии бурильной колонны в искривленном стволе скважины

Бурение с ЗД: Дополнительная осевая нагрузка растяжения в под­вешенной колонне от перепада давления в турбобуре. Реактивный момент, воспринимаемый бурильной колонной при работе забойного двигателя Статический изгибающий момент при размещении бурильной колонны в искривленном стволе скважи­н.

Кроме того, в процессе бурения возникают крутильные колебания бурильной колонны и по ней проходят упругие волны

Колебательные процессы в бурильной колонне могут быть установившимися или неустановившимися в зависи­мости от характера возмущающей силы (периодический или случайный). На амплитуду и частоту колебаний существенно влияют материал, из которого изготовлены бурильные трубы, демпфирующее воздействие жидкости, заполняющей скважину, и сила трения колонны о стенки скважины.