Жёсткость и прочность

Жесткость бурильных труб

Для расчета максимальных нагрузок, которые может выдержать конкретная бурильная колонна, необходимо знать свойства стали, из которой состоят трубы, входящие в состав колонны.

Основной характеристикой стали является её жесткость.

Жёсткость это способность тела сопротивляться деформации при внешнем воздействии, равная произведению модуля Юнга на полярный момент инерции, измеряемая в Н/м.

Для определения жесткости бурильных труб применима модель полого цилиндра с внутренним диаметром ID и внешним диаметром OD. Тогда полярный момент инерции определяется, как:

(1).

Следовательно: k = EI.

Таблица 2.

Жёсткость труб различных материалов.

Синусоидальные и винтовые изгибы

Очевидно, что бурильная колонна может подвергаться изгибам не только из-за извилистости траектории, но также при избыточной нагрузке на долото, оказываемой в процессе бурения. Данные явления, называемые синусоидальными изгибами, были подробно проанализированы даусоном и Пасли в 1982 году. Ими были определены критические значения ННД (нагрузки на долото), при которых синусоидальные изгибы переходят в винтовые и, соответственно, наносится урон компоновке в виде чрезмерного износа, усталости материала, пластических деформации.

Даусон и Пасли со ссылкой на Любинского показали, что винтовой изгиб начинается при превышении критической синусоидальной нагрузки приблизительно в 1.4 раза.

Рис. 5. Деформация трубы при синусоидальной нагрузке

Критическая синусоидальная нагрузка определяется, как:

(2).

Где: F — критическая синусоидальная нагрузка, [H].

И — наклон скважины в конкретной точке, градусы Е — модуль Юнга, Па К_в — коэффициент потери веса бурильной колонны при погружении в жидкость.

I — полярный момент инерции, м⁴

W — удельный вес колонны в воздухе, Н/м.

r — радиальный зазор между замковыми соединениями трубы и стенкой скважины, м.

Исходя из этой формулы следует, что стабильность колонны повышается в наклонно-направленных скважинах и максимальная при горизонтально-направленном бурении (). Это происходит потому, что бурильная колонна прижимается к нижней стенке ствола скважины, и, тем самым, опирается на неё, повышая собственную стабильность и устойчивость к нагрузкам.

Винтовые нагрузки были более подробно рассмотрены в работах Митчела и Квона в 1986 году. — [6].