Основные теоретические положения. Если скважина относительно прямолинейна и осевая нагрузка на породоразрушающий

    Если скважина относительно прямолинейна и осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент (долото) отсутствует, бурильная колонна также прямолинейна. При достаточно малой нагрузке на долото колонна остается прямолинейной. Осевая нагрузка по мере увеличения достигает критического значения, при котором бурильная колонна изгибается и соприкасается со стенкой скважины – это явление изгиба называется продольным изгибом первого порядка. При дальнейшем увеличении осевой нагрузки она приобретает новое критическое значение, при котором бурильная колонна изгибается вторично – это изгиб второго порядка. При еще больших нагрузках происходит изгиб третьего и высших порядков.

    Форма изогнутой бурильной колонны при критическом значении осевой нагрузки показана на рисунке 1. Каждая кривая на рисунке соответствует нижнему концу бурильной колонны, где находится долото. Расстояние по вертикале измеряется в безразмерных единицах. Длина одной безразмерной единицы веса нижней свечи в зависимости от типа бурильной колонны колеблется в пределах 8,88-19,64 м. Следовательно, при изгибе любого порядка форма изогнутой оси остается почти без изменения независимо от того, из нормальных или утяжеленных бурильных труб составлена нижняя часть колонны.

Рисунок 1. Форма изогнутой бурильной колонны при критическом значении осевой нагрузки

Н а рисунке точка N₁ показывает положение нейтрального сечения (1,94 безразмерной единицы над долотом), а точка Т₁ является точкой касания. Положение нейтрального сечения определяется следующими условиями. Вес в глинистом растворе части бурильной колонны, расположенной ниже нейтрального сечения, равен нагрузке на долото. Нейтральное сечение отличается от сечения колонны, в котором нет ни сжатия, ни растяжения. Положение та кого сечения меняется под влиянием гидростатического давления и давления, создаваемого насосами.

По мере увеличения осевой нагрузки от критического значения первого порядка до второго порядка форма оси бурильной колонны постепенно изменяется от кривой а к кривой б. Последняя (нейтральная точка N₂, точка касания Т₂) соответствует критическим условиям второго порядка.

Сравнение кривых а и б показывает, что часть колонны, расположенная близ долота, изгибается больше, в то же время, как часть колонны, расположенная выше точки касания, постепенно выпрямляется.

Когда нагрузка на долото становится выше критической второго порядка, колонна изгибается вторично, и её деформация быстро возрастает при небольшом приращении нагрузки на долото. Кривая в показывает форму бурильной колонны в тот момент, когда вторая полуволна соприкасается со стенкой скважины в точке Т₃.

Каждой нагрузке на долото соответствует определённое расстояние между долотом и нейтральным сечением. Критическая величина этого расстояния зависит от типа бурильных или утяжелённых труб и удельного веса глинистого раствора. Очень удобно измерять расстояние не в метрах, а в безразмерных единицах. Это даёт результаты, не зависящие от типа бурильных труб, утяжеленного низа и удельного веса бурового раствора.

А. Лубинским было установлено, что продольный изгиб первого, второго и третьего порядков происходит тогда, когда расстояние от нейтрального сечения до долота составляет соответственно 1,94, 3,75 и 4,22 безразмерных единиц. Длина одной безразмерной единицы (б.е.) веса в метрах определяется следующим выражением:

где E – модуль Юнга для стали в кН / см²;

  I – момент инерции поперечного сечения бурильной трубы в см ⁴;

Р_Т – вес 1 мбурильной трубы в глинистом растворе в кН / м.

Например, по формуле (1) определим значения m для утяжелённых бурильных труб УБТС–229 в глинистом растворе с плотностью 1,16 г/см³.

Вес отрезка бурильной трубы УБТС – 229 в 1 безразмерную единицу

равен:

mр _Т = 22,8 • 2,33 =53,29 кН,

следовательно, критическая нагрузка первого порядка для колонны УБТС-229 равна:

1,94 •53,29 = 103,4 кН,

критическая нагрузка второго порядка:

3,75 53,29 = 200 кН.