Вопрос 1.26. Изгиб и устойчивость бурильной колонны. Динамические нагрузки и коэффициент динамичности.

Различные участки БК подвергаются изгибу, при котором она теряет прямолинейную форму.

Наиболее характерным примером поперечного изгиба (изгиб, происходящий под действием только поперечных сил) БК является изгиб в ее искривленных интервалах (набора и/или снижения зенитного угла) наклонно направленной скважины. Изгиб происходит под действием поперечных сил на контакте со стенкой скважины. Вынужденная повторять конфигурацию ствола скважины БК на искривленном участке изгибается независимо от того, движется она иои находится в состоянии покоя. Поскольку абсолютно прямолинейных интервалов не бывает даже в вертикальной скважине, то вся БК всегда в той или иной мере подвержена поперечному изгибу.

При поперечном изгибе в теле трубы возникают напряжения, растягивающие с выпуклой стороны и сжимающие – с вогнутой, которые можно найти с помощью простой формулы: ,

где модуль Юнга; наружный диаметр труб.

Подверженная воздействию различных усилий бурильная колонна в процессе работы теряет устойчивость прямолинейной формы равновесия. Неустойчивой называется такая форма равновесия, когда при малом отклонении от положения равновесия, система, представленная самой себе, не возвращается в исходное положение силами упругости.

Потеря устойчивости наступает тогда, когда нагрузки, действующие на колонну, достигают критических значений. Для определения критической нагрузки достаточно найти нагрузку, при которой система не возвращается в исходное положение при сколько угодно малом, но конечном отклонении от этого положения.

Если на систему действует нагрузка, превышающая критическую, то возникают значительные деформации и в ряде случаев система переходит из исходной формы равновесия в новую изогнутую форму устойчивого равновесия, соответствующую минимуму потенциальной энергии системы. Если отклонить систему от положения устойчивого равновесия, то для поддержания ее потребуется дополнительная энергия.

Опытный коэффициент динамичности учитывает динамические нагрузки в подземном механизме буровых установок:

K = (P ₁ + P ₂)/ P ₁,

где P ₁ – статическая нагрузка от собственного веса колонны труб и подвижной части талевого механизма; P ₂ – динамическая нагрузка.

В результате экспериментальных исследований установлено, что коэффициент динамичности для отдельных звеньев и деталей подъемного механизма буровых установок изменяется от 1,02 до 2 в зависимости от скорости подъема, определяемой мощностью привода буровой лебедки и массой поднимаемой колонны. По мере увеличения массы колонны труб скорость подъема уменьшается и при этом снижается коэффициент динамичности.

Динамические нагрузки в звеньях подъемного механизма достигают наибольших значений в период подхвата колонны труб с ротора при подъеме и в начале торможения лебедки при спуске.