Нагрузки, действующие на бурильную колонну

В процессе бурения на бурильную колонну действуют различные силы и моменты. К ним в общем случае относятся:

растягивающие силы от собственного веса;

растягивающие гидравлические нагрузки за счет перепада давления в забойном двигателе и долоте;

силы внутреннего и наружного давления промывочной жидкости;

силы взаимодействия колонны со стенками скважины (силы трения);

силы инерции самой колонны, так и промывочной жидкости;

изгибающие моменты на участках естественного и искусственного искривления ствола скважины;

осевая сжимающая сила в нижней части колонны;

крутящий момент при вращении колонны;

изгибающий момент за счет потери колонной прямолинейной формы;

динамические составляющие продольных и поперечных сил, изгибающего и крутящего моментов за счет различного рода колебаний колонны.

Совместное действие всех этих сил и моментов приводит к тому, что бурильная колонна находится в условиях весьма сложного напряженного состояния.

В связи с тем, что при проектировании и расчетах бурильной колонны практически невозможно учесть все нагрузки, а некоторые из них не поддаются точному определению, поэтому рассматриваются только основные, наиболее существенные и опасные. К их числу относятся растягивающие силы, крутящий и изгибающие моменты, наружное и внутреннее избыточные давления промывочной жидкости.

Максимальная растягивающая нагрузка в колонне имеет место в верхней части, а сжимающая ‑ в нижней; максимальный крутящий момент приложен к колонне в верхней части при роторном способе бурения, и в нижней ‑ при бурении забойными двигателями. Максимальный изгибающий момент за счет потери колонной прямолинейной формы приложен в нижней части.

Однако в связи с тем, что колонна может быть составлена из бурильных труб разного диаметра с разной толщиной стенки, напряжения, возникающие в них, даже при нагрузках меньших, чем максимальные, могут превысить допустимые. Поэтому необходимо проводить расчеты напряжений для опасных сечений и сравнивать их с допустимыми для материала используемых бурильных труб.

При расчетах на статическую прочность в вертикальной скважине определяются суммарные напряжения в верхних сечениях секций в момент отрыва долота от забоя, т.к. в этом случае на колонну действуют максимальные нагрузки. В наклонно направленных скважинах, кроме этого, определяются суммарные напряжения в верхних точках участков искривления, где дополнительно появляются напряжения изгиба.

При расчетах на сопротивление усталости определяются суммарные напряжения для нижних сечении всех секций, т.к. в этом случае имеет место максимальный изгиб за счет потери КБТ прямолинейной формы.