Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині

Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині

У статті розглянуто задачу математичного моделювання динаміки вивільнення дискретно-континуальної системи металевих бурильних труб, прихоплених у похило-скерованій свердловині. Створено комп’ютерну програму для чисельного розрахунку характеристик напружено-деформованої прихопленої металевої бурильно...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Металлофизика и новейшие технологии
Datum:2018
1. Verfasser: Левчук, К.Г.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2018
Schlagworte:
Физико-технические основы эксперимента и диагностики
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146082
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині / К.Г. Левчук // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 5. — С. 701-712. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146082
record_format dspace
spelling Левчук, К.Г.
2019-02-06T19:34:27Z
2019-02-06T19:34:27Z
2018
Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині / К.Г. Левчук // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 5. — С. 701-712. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
1024-1809
PACS: 02.60.Cb, 45.20.-d, 46.70.-p, 62.20.Qp, 62.25.-g, 81.40.Pq, 81.70.Bt
DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.40.05.0701
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146082
У статті розглянуто задачу математичного моделювання динаміки вивільнення дискретно-континуальної системи металевих бурильних труб, прихоплених у похило-скерованій свердловині. Створено комп’ютерну програму для чисельного розрахунку характеристик напружено-деформованої прихопленої металевої бурильної колони, що відповідають випадку ліквідації аварії. Розроблено методику діягностування стану металевих труб, що уможливлює обґрунтовано вибирати спосіб ліквідації прихоплень бурильного інструменту. На прикладі прихопленої металевої бурильної труби у глибокій криволінійній свердловині з урахуванням чинників її неоднорідного навантаження зовнішніми зосередженими силами, а також розподіленими силами тяжіння, контактної та фрикційної взаємодій зі стінками свердловини проведено чисельні розрахунки й одержано залежності міцности від техніко-технологічних чинників її вивільнення.
В статье рассмотрена задача математического моделирования динамики освобождения дискретно-континуальной системы металлических бурильных труб, прихваченных в наклонно-направленной скважине. Создана компьютерная программа для численного расчёта характеристик, отвечающих случаю ликвидации аварии, напряжённо-деформированной прихваченной металлической бурильной колоны. Разработана методика диагностики состояния металлических труб, позволяющая обосновано выбирать способ ликвидации прихватов бурильного инструмента. На примере прихваченной металлической бурильной трубы в глубокой криволинейной скважине с учётом факторов её неоднородной нагрузки внешними сосредоточенными силами, а также распределёнными силами тяжести, контактного и фрикционного взаимодействий со стенками скважины проведён численный расчёт и получены зависимости прочности от технико-технологических факторов её освобождения.
The article considers the problem of a mathematical modelling of the dynamics for the release of discrete-continuous system of metal drill pipes frozen in a directional well. A computer program is created for the numerical calculation of the characteristics of stressedly deformed stuck metal drill string, which arise during the elimination of an accident. A technique for diagnosing the state of metal pipes is developed and makes it possible to justify the choice of a method for eliminating the stuck drilling tool. By the example of a stuck metal drill pipe in a deep controlled directional well, taking into account the agents of its heterogeneous load by external concentrated forces as well as the distributed gravity forces, contact and frictional interactions with walls of the well, a numerical calculation is performed, and the strength dependences on the technical and technological factors of its unfreezing are obtained.
uk
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
Металлофизика и новейшие технологии
Физико-технические основы эксперимента и диагностики
Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
Диагностирование прихватов металлических бурильных труб по их напряжённо-деформированному состоянию в наклонно-направленной буровой скважине
Diagnosing of a Freeze-In of Metal Drill Pipes by Their Stressedly-Deformed State in the Controlled Directional Bore Hole
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
spellingShingle Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
Левчук, К.Г.
Физико-технические основы эксперимента и диагностики
title_short Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
title_full Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
title_fullStr Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
title_full_unstemmed Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
title_sort діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині
author Левчук, К.Г.
author_facet Левчук, К.Г.
topic Физико-технические основы эксперимента и диагностики
topic_facet Физико-технические основы эксперимента и диагностики
publishDate 2018
language Ukrainian
container_title Металлофизика и новейшие технологии
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
format Article
title_alt Диагностирование прихватов металлических бурильных труб по их напряжённо-деформированному состоянию в наклонно-направленной буровой скважине
Diagnosing of a Freeze-In of Metal Drill Pipes by Their Stressedly-Deformed State in the Controlled Directional Bore Hole
description У статті розглянуто задачу математичного моделювання динаміки вивільнення дискретно-континуальної системи металевих бурильних труб, прихоплених у похило-скерованій свердловині. Створено комп’ютерну програму для чисельного розрахунку характеристик напружено-деформованої прихопленої металевої бурильної колони, що відповідають випадку ліквідації аварії. Розроблено методику діягностування стану металевих труб, що уможливлює обґрунтовано вибирати спосіб ліквідації прихоплень бурильного інструменту. На прикладі прихопленої металевої бурильної труби у глибокій криволінійній свердловині з урахуванням чинників її неоднорідного навантаження зовнішніми зосередженими силами, а також розподіленими силами тяжіння, контактної та фрикційної взаємодій зі стінками свердловини проведено чисельні розрахунки й одержано залежності міцности від техніко-технологічних чинників її вивільнення. В статье рассмотрена задача математического моделирования динамики освобождения дискретно-континуальной системы металлических бурильных труб, прихваченных в наклонно-направленной скважине. Создана компьютерная программа для численного расчёта характеристик, отвечающих случаю ликвидации аварии, напряжённо-деформированной прихваченной металлической бурильной колоны. Разработана методика диагностики состояния металлических труб, позволяющая обосновано выбирать способ ликвидации прихватов бурильного инструмента. На примере прихваченной металлической бурильной трубы в глубокой криволинейной скважине с учётом факторов её неоднородной нагрузки внешними сосредоточенными силами, а также распределёнными силами тяжести, контактного и фрикционного взаимодействий со стенками скважины проведён численный расчёт и получены зависимости прочности от технико-технологических факторов её освобождения. The article considers the problem of a mathematical modelling of the dynamics for the release of discrete-continuous system of metal drill pipes frozen in a directional well. A computer program is created for the numerical calculation of the characteristics of stressedly deformed stuck metal drill string, which arise during the elimination of an accident. A technique for diagnosing the state of metal pipes is developed and makes it possible to justify the choice of a method for eliminating the stuck drilling tool. By the example of a stuck metal drill pipe in a deep controlled directional well, taking into account the agents of its heterogeneous load by external concentrated forces as well as the distributed gravity forces, contact and frictional interactions with walls of the well, a numerical calculation is performed, and the strength dependences on the technical and technological factors of its unfreezing are obtained.
issn 1024-1809
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146082
citation_txt Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині / К.Г. Левчук // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 5. — С. 701-712. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT levčukkg díâgnostuvannâprihoplenʹmetalevihburilʹnihtrubzaíhnímnapruženodeformovanimstanomupohiloskerovaníisverdloviní
AT levčukkg diagnostirovanieprihvatovmetalličeskihburilʹnyhtrubpoihnaprâžennodeformirovannomusostoâniûvnaklonnonapravlennoiburovoiskvažine
AT levčukkg diagnosingofafreezeinofmetaldrillpipesbytheirstressedlydeformedstateinthecontrolleddirectionalborehole
first_indexed 2025-11-24T20:38:13Z
last_indexed 2025-11-24T20:38:13Z
_version_ 1850495490381053952
fulltext 701 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКИ PACS numbers: 02.60.Cb, 45.20.-d, 46.70.-p, 62.20.Qp, 62.25.-g, 81.40.Pq, 81.70.Bt Діягностування прихоплень металевих бурильних труб за їхнім напружено-деформованим станом у похило-скерованій свердловині К. Г. Левчук*,**  *Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна **Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, 76019 Івано-Франківськ, Україна У статті розглянуто задачу математичного моделювання динаміки виві- льнення дискретно-континуальної системи металевих бурильних труб, прихоплених у похило-скерованій свердловині. Створено комп’ютерну програму для чисельного розрахунку характеристик напружено-дефор- мованої прихопленої металевої бурильної колони, що відповідають випа- дку ліквідації аварії. Розроблено методику діягностування стану метале- вих труб, що уможливлює обґрунтовано вибирати спосіб ліквідації при- хоплень бурильного інструменту. На прикладі прихопленої металевої бу- рильної труби у глибокій криволінійній свердловині з урахуванням чин- ників її неоднорідного навантаження зовнішніми зосередженими силами, а також розподіленими силами тяжіння, контактної та фрикційної взає- модій зі стінками свердловини проведено чисельні розрахунки й одержа- но залежності міцности від техніко-технологічних чинників її вивільнен- ня. Corresponding author: Kateryna Grygorivna Levchuk E-mail: kgl.imp.nan@gmail.com *G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S. of Ukraine, 36 Academician Vernadsky Blvd., UA-03142 Kyiv, Ukraine **Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, 15 Karpatska Str., UA-76019 Ivano-Frankivsk, Ukraine Citation: K. G. Levchuk, Diagnosing of a Freeze-In of Metal Drill Pipes by Their Stressedly-Deformed State in the Controlled Directional Bore Hole, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 5: 701–712 (2018) (in Ukrainian), DOI: 10.15407/mfint.40.05.0701. Ìåòàëëîôèç. íîâåéøèå òåõíîë. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2018, т. 40, № 5, сс. 701–712 / DOI: 10.15407/mfint.40.05.0701 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2018 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. mailto:kgl.imp.nan@gmail.com https://doi.org/10.15407/mfint.40.05.0701 https://doi.org/10.15407/mfint.40.05.0701 702 К. Г. ЛЕВЧУК Ключові слова: похило-скерована свердловина, металева бурильна коло- на, прихоплення, діягностування, міцність. The article considers the problem of a mathematical modelling of the dynam- ics for the release of discrete-continuous system of metal drill pipes frozen in a directional well. A computer program is created for the numerical calcula- tion of the characteristics of stressedly deformed stuck metal drill string, which arise during the elimination of an accident. A technique for diagnosing the state of metal pipes is developed and makes it possible to justify the choice of a method for eliminating the stuck drilling tool. By the example of a stuck metal drill pipe in a deep controlled directional well, taking into ac- count the agents of its heterogeneous load by external concentrated forces as well as the distributed gravity forces, contact and frictional interactions with walls of the well, a numerical calculation is performed, and the strength dependences on the technical and technological factors of its unfreezing are obtained. Key words: directional well, metal drill string, stuck, diagnosis, strength. В статье рассмотрена задача математического моделирования динамики освобождения дискретно-континуальной системы металлических бу- рильных труб, прихваченных в наклонно-направленной скважине. Со- здана компьютерная программа для численного расчёта характеристик, отвечающих случаю ликвидации аварии, напряжённо-деформированной прихваченной металлической бурильной колоны. Разработана методика диагностики состояния металлических труб, позволяющая обосновано выбирать способ ликвидации прихватов бурильного инструмента. На примере прихваченной металлической бурильной трубы в глубокой кри- волинейной скважине с учётом факторов её неоднородной нагрузки внешними сосредоточенными силами, а также распределёнными силами тяжести, контактного и фрикционного взаимодействий со стенками скважины проведён численный расчёт и получены зависимости прочно- сти от технико-технологических факторов её освобождения. Ключевые слова: наклонно-направленная скважина, металлическая бу- рильная колона, прихват, диагностика, прочность. (Отримано 21 лютого 2018 р.) 1. ВСТУП Швидкий розвиток розвідки нафтових і газових свердловин у скла- дних географічних і кліматичних умовах є неможливим без розбу- рювання нафтових родовищ похило-скерованих свердловин і удо- сконалених технологій. Нині об’єм криволінійного буріння складає понад 95% від загальної кількости прокладених свердловин. Роз- бурювання родовищ потребує принципово нових технічних рішень у нафтопромисловому будівництві. Водночас виникла низка техні- ко-технологічних й економічних проблем, пов’язаних з перетином ДІЯГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ БУРИЛЬНИХ ТРУБ 703 стовбурів пробурених і проєктних свердловин, прихоплень метале- вого бурильного інструменту, зниженням експлуатаційної надійно- сти обладнання. Похило-спрямоване буріння використовують для буріння сверд- ловин на нафту і газ та з метою розвідки вуглеводів. Найефектив- нішим таке буріння є у випадках розробки родовищ в акваторіях морів й океанів, у болотистих місцевостях або при будівництві до- поміжних свердловин для заглушення відкритих фонтанів. Необ- хідність буріння таких свердловин визначається особливістю рель- єфу поверхні, прагненням понизити витрати та час на будівництво споруд, розкриття пластів, що глибоко залягають [1–3]. Сучасний розвиток техніки та технології буріння уможливлює прокладати нафтові та газові свердловини з різною конфіґурацією й орієнтацією стовбура. Оскільки це уможливлює шляхом вибору за- даного викривлення свердловини істотно збільшувати ефектив- ність видобутку палива, буріння похило-скерованих свердловин переважає в більшості країн світу. Аварії на криволінійних сверд- ловинах достатньо складні технічно та технологічно. Процес їх лік- відації погіршується у випадку наявности значної кількости гори- зонтів, яких сформовано нестійкими гірськими породами, або від- носно великих глибин залягання цих продуктивних горизонтів. Велика глибина залягання ускладнює ситуацію зі стійкістю стінок похилих ділянок стовбура свердловини, що є причиною виникнен- ня прихоплень і стримує розвиток горизонтального буріння [4]. Прихоплення металевих бурильних труб при спусканні їх у свер- дловину трапляються у випадку виникнення осипань і обвалів гір- ських порід, прилипань металевої бурильної колони (МБК) до кір- ки свердловини, заклинювань у жолобах, місцях викривлень стов- бура свердловини, попадань сторонніх предметів. Успіх ліквідації прихоплень бурильного інструменту в похило-скерованій свердло- вині, насамперед, залежить від вибору ефективного способу вивіль- нення МБК, що забезпечується величиною і характером зміни збу- рювальних сил, та одночасного збереження її міцности. Одним із основних чинників, що визначає стійкість, експлуатаційну надій- ність і міцність МБК, є напружено-деформаційний стан. Пошук ефективних способів вивільнення прихоплених МБК по- требує аналізу статичних і динамічних розв’язків системи неодно- рідних нелінійних диференційних рівнянь, визначення на їх основі збурювальних сил, які забезпечать ліквідацію аварії, та деформо- вано-напруженого стану металу, з якого виготовлено труби. Тому на етапах проєктування та спорудження таких свердловин основну увагу необхідно звернути на реалізацію у комп’ютерних розрахун- ках методів математичного моделювання. Мета роботи — створення науково обґрунтованої методи діягнос- тування технічного стану металевих труб для вибору способу лікві- 704 К. Г. ЛЕВЧУК дації прихоплень і прогнозування їхньої міцности та довговічности у похило-скерованих свердловинах. 2. МАТЕМАТИЧНИЙ МОДЕЛЬ ВИВІЛЬНЕННЯ ПРИХОПЛЕНОЇ МЕТАЛЕВОЇ ТРУБИ Розглянемо прихоплення обважненої металевої труби у похило- скерованій свердловині, профіль якої містить три інтервали: верти- кальну ділянку, ділянку зі збільшенням зенітних кутів 2 і 3, а та- кож танґенційну (ділянку стабілізації зенітного кута). Прокладання таких свердловин із застосуванням відхильників уможливлюють при найменшому зенітному куті свердловини одержати порівняно великий відхил від вертикалі та скоротити тривалість буріння. За- значені профілі рекомендують застосовувати у тих випадках, коли потрібно забезпечити експлуатаційну надійність елементів, що центрують компоновку низу бурильної колони (рис. 1). Вибір компоновки МБК залежить від кількости інтервалів викри- вленої свердловини у заданих умовах, геометричних параметрів тра- Рис. 1. Розрахунковий дискретно-континуальний ступінчастий модель ме- талевої бурильної колони у похило-скерованій свердловині. Fig. 1. Calculated discrete-continuous stepped model of a metal drill string in a directional borehole. ДІЯГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ БУРИЛЬНИХ ТРУБ 705 єкторії, діяметрів і довжини секцій із металевих і обважнених бу- рильних труб. Металеву бурильну колону будемо розглядати як дискретно- континуальну шестимасову динамічну систему, яка містить п’ять се- кцій пружніх металевих труб (табл. 1). Кожну секцію (i 1, …, 5) по- дамо у вигляді зосередженої маси mi Fili і пружнього елемента із жорсткістю ci EFi/li, де і E — густина і модуль пружности металу, з якого виготовлено бурильні труби; Fi і li — площа поперечного перері- зу та довжина металевих бурильних труб. Переміщення зосередже- них мас подамо дуговими координатами: q0 s0, q1 s1, q2 2R, q3 3R, q4 s4, q5 s5 (R — радіюс кривини викривлених ділянок, 2 і 3 — кути, що вказують поточне положення на криволінійній ділянці свердловини відносно зосереджених мас mi у положенні статичної рі- вноваги). Зусилля, що уможливить вивільнити МБК, збурюють через пру- жній елемент (с0 — жорсткість талевої системи, m0 — зведена маса талевої системи), один кінець якого приєднано до колони, а другий переміщується разом з її вільною частиною вгору за законом q(t) [5]. Для запису динаміки вивільнення прихопленої МБК відносно положення статичної рівноваги скористаємося диференційними рі- вняннями Ньютона Ойлера: 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 2 2 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 2 3 3 2 3 2 3 2 2 2 2 2 2тр 2 2 3 3 3 3 2 ( ( )) ( ), ( ) ( ) , ( ) cos( 4 2 ) ( ) cos( 4 ( ) 2) [cos( 2) cos( 2 ) sin( 2)] , ( ) co m q c q q t c q q m q c q q c q q q m R c R q c R m g F R m R c R 3 2 3 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3тр 3 3 4 4 4 4 3 3 3 3 5 5 4 4 4 4тр 5 5 5 5 4 5 5 5тр s( 4 ( ) 2) ( ) cos( 4 2 ) [cos( 2) cos( 2 ) sin( 2)] , ( ) cos( 4 2 ) ( ) , ( ) , c q R m g F R m q c q R c q q q F m q c q q q F (1) ТАБЛИЦЯ 1. Геометричні параметри секцій металевої бурильної колони у похило-скерованій свердловині. TABLE 1. The geometric parameters of sections of the metal drill string with- in the directional well. Номер секції 1 2 3 4 5 Довжина, м 1180 70 220 40 20 Зенітний кут, град 0 0 46 46 60 60 60 706 К. Г. ЛЕВЧУК де 3 3 2, 3 3 2, i — коефіцієнт в’язкого опору бурового розчину, який залежить від його властивостей і геометричної фор- ми металевої труби, Fiтр — сила тертя. Природа виникнення прихоплень є різною; тому і способи лікві- дації їх відрізняються один від одного та мають свої особливості. На виникнення прихоплень МБК чинять вплив різноманітні чинники, розрізняти оцінювання яких важко. Схематично можна розділити сили, що утримують прихоплені металеві бурильні труби, на сили механічного притискання труб до стінок свердловини, пов’язані з дією перепаду тиску й осьовою складовою ваги колони труб, та ад- гезійні сили взаємодії, що залежать від властивостей фільтраційної кірки, стану зони контакту й умов середовища. Отже, стінки металевих бурильних труб у похило-скерованій свердловині зазнають додаткових стискальних контактних розпо- ділених навантажень, зумовлених їх взаємодією із кіркою свердло- вини, і перебувають під дією фрикційних сил, викликаних тиском бурового розчину, що циркулює всередині та ззовні труб. Зазначи- мо, що при бурінні викривлених свердловин необхідно враховувати ефект Стрібека, оскільки контакт між МБК і свердловиною відбу- вається через змащення буровим розчином. Це приводить до зни- ження сили тертя при ковзанні залежно від міри взаємодії контак- тувальних поверхонь і наявности змащувальної плівки. Сили тертя Стрібека [6] спрямовані протилежно швидкості руху та зумовлені боковим тиском зовнішніх сил і сил прихоплення, що діють на ме- талеві труби: тр arctg( )2 sign( ), 1 | | i i i i i q F N q q (2) де — динамічний коефіцієнт тертя, 106 — кориґувальний па- раметер, що контролює форму відхилу динамічного тертя від ста- тичного, — константа, що враховує змащувальний ефект у коефі- цієнті динамічного тертя, Ni — радіяльний тиск на стінки метале- вих труб. На криволінійних ділянках радіяльні тиски є змінними величи- нами, що залежать від положення труб на свердловині та швидкос- ти їхнього руху (рис. 2). Тому до системи диференційних рівнянь (1) необхідно додати вирази: 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 3 2 3 3 2 3 2 3 3 3 3 3 3 2 3 3 2 3 4 3 4 3 3 3 sin ( 2 ) ( ) sin( 4 (2 ) ) ( ) sin( 4 ( ) (2 )) , sin( 2 ) sin( 4 ( ) (2 )) sin( 4 (2 ) ) , N m g q R q R c q q q R c q q q q R N m g q R q R c q q q q R c q q q R (3) ДІЯГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ БУРИЛЬНИХ ТРУБ 707 де кути 2 і 3 визначаємо з рівностей: 2 2 2 1 1 3 3 3 4 4 ctg ctg ( 4 (2 )) 4 ( 2 ), ctg ctg ( 4 (2 )) 4 ( 2 ). q R R l q q R R l q (4) Радіяльний тиск на металеві труби на танґенційних ділянках ви- значається залежностями: 4 4 4 4 3 4 3 3 3 5 5 5 4 5 5 cos ( ) sin( 2 (2 ) ), cos ( ), N m g c q q q R N F l g P q (5) де P5(q5) — сила притискання металевої труби, обважненої гірською породою: 5 5 5 5 5 5 0 0 ( ) ( , , ) . порl q P q p t q d dq (6) Тут p (t,q5, ) — розподілена сила тиску гірської породи, пор — раді- яльний кут прихоплення металевої труби породою. Оскільки всі сили діють сумісно, доводиться враховувати інтеґ- ральну силу опору руху МБК, врахувавши, що у процесі руху їх співвідношення може змінюватися (2)–(6). Якщо металева труба є циліндричною, маса її погонного метра 2 2 пог бур [ ( ) ] 4, i i i m D d (7) де бур — густина бурового розчину, Di, di — зовнішній і внутрішній діяметри металевих труб. 3. ДІАГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ ТРУБ Оскільки навантаження (3) різко зростають із набором зенітного кута свердловини за експонентою, а у випадку виникнення прихо- плень внаслідок обвалів або налипання гірських порід можливе значне зростання сил опору, що перешкоджають переміщенню ме- талевої бурильної колони і можуть призвести до зупинки основних технологічних операцій буріння, розробка методики діягностики — аналітичного розрахунку процесу вивільнення металевих труб і оцінка їх силової взаємодії зі стінками свердловини на викривле- них ділянках є надзвичайно актуальним завданням. Вивільнення прихопленої металевої бурильної труби забезпечує сила натягу МБК, що зрівноважує зовнішні сили, та збурювальна осьова сила P EF5(q4 q5)/l5, яка має подолати силу опору, викли- кану в’язким тертям і тертям Стрібека. До того ж, вибір МБК має відповідати критеріям оптимальности та системі обмежень, що ві- 708 К. Г. ЛЕВЧУК дображають вимоги до умов стійкости, міцности спорудження та експлуатації свердловини. Дослідження запропонованого методу для вивільнення прихоп- лених металевих труб було проведено для п’ятимасової бурильної колони: с0 53 МН/м, m0 9855 кг, рід 1200 кг/м3, 0,3, діямет- ри обважнених бурильних труб, виготовлених зі сталі 40ХН2МА: D3 D4 D5 203 мм, d3 d4 d5 74 мм. Основні параметри буриль- них труб (D1 D2 Dтр, d1 d2 dтр), виготовлених з різних металів, наведено у табл. 2 [7]. Проведені чисельні розрахунки уможливили встановити залеж- ність сили висмикування металевих труб, моменту їх зрушення, ха- рактер процесу витягування від матеріялу, з якого вони виготовлені (рис. 2). Металеві бурильні труби періодично струшуються. До тих пір, поки динамічна сила опору ковзанню менша за статичну, МБК розтягується внаслідок виникнення імпульсу цих сил у зоні прихоп- лення. Потім прихоплена металева труба стискається, що приводить до зменшення пружньої сили та гальмування переміщення. Таким чином, рух прихопленої бурильної труби має коливний ха- рактер, у якому періодично змінюються фази прилипання та ков- зання — висмикування. Талевий канат піднімає металеві труби та підживлює енергією МБК; тому коливання не згасають, незважаючи на втрату енергії у контакті зі свердловиною. Такий рух називають фрикційними автоколиваннями, оскільки він викликаний внутріш- німи властивостями механічної системи, джерелом яких є тертя. За допомогою складеного математичного моделю було визначено закони руху, швидкости та збурювальні сили (рис. 2) для контактної рівномірно розподіленої сили тиску гірської породи p 1 кН/м та ін- теґральної фрикційної взаємодії бурильних труб з кіркою свердло- вини Fiтр 6 кН/м за умови значення швидкости талевого каната v0 0,1 м/с. Розраховані величини збурювальних сил уможливлюють спрог- нозувати критичні ситуації, пов’язані з процесом вивільнення при- ТАБЛИЦЯ 2. Геометричні та фізичні характеристики бурильних труб. TABLE 2. The geometric and physical characteristics of the drill pipes. Метал Алюміній АД 31 Дюралюміній Д 16 Сталь 40ХН Титан ВТ1-0 Dтр, мм dтр, мм E, МПа [ ], МПа , кг/м3 140 130 7 104 330 2780 0,34 147 125 7,2 104 350 2800 0,34 140 118 2,1 105 735 7850 0,28 140 128 1,12 105 950 4400 0,32 ДІЯГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ БУРИЛЬНИХ ТРУБ 709 хоплень, оскільки максимальна величина збурювальної сили (табл. 3), що вивільняє прихоплену МБК, має не перевищувати допу- стимі значення напружень матеріялу бурильних труб, що знаходить- ся в межах міцности та надійности (табл. 2). Оскільки алюмінійові бурильні труби мають найменший модуль пружности та найменшу густину, то вони й витримують найменші Рис. 2. Збурювальна сила P, викликана фрикційними автоколиваннями, для металевих труб, виготовлених з: а — Al, б — Al Cu Mg, в — сталь, г — Ti. Fig. 2. Disturbing force P caused by frictional self-excited oscillations for metal pipes made of: а—Al, б—Al–Cu–Mg, в—steel, г—Ti. ТАБЛИЦЯ 3. Геометричні та фізичні характеристики бурильних труб. TABLE 3. The geometric and physical characteristics of the drill pipes. Метал Алюміній АД 31 Дюралюміній Д 16 Сталь 40ХН Титан ВТ1-0 [pвн], МПа [pзн], МПа [P], кН [P ], кН 15,9 3,6 2,4 148,6 36,8 35,2 5,6 367,5 81,5 97,7 13,9 739,4 55,3 10,5 4,5 449,8 710 К. Г. ЛЕВЧУК динамічні навантаження (табл. 2 і 3). Для вивільнення прихоплених Al-труб не рекомендовано застосовувати ударні способи; доцільніши- ми будуть застосування вібраційних способів. Поряд з тим, Al-труби є довговічними і стійкими до дії зовнішнього середовища, зокрема до морської води. Сірчаний газ, сірководень, аміяк мало впливають на швидкість їх корозії [8]. Перевагою використання МБК з дюралюмінійових труб перед сталевими є їхні фізико-механічні властивості: низька питома вага, висока питома міцність, понижене значення модулів поздовжньої пружности та зсуву, корозійна стійкість в аґресивному середовищі (Н2S і CO2), немагнетні властивості. При використанні Al–Cu–Mg бурильних труб необхідно передбачити комплекс заходів із захисту їх від корозійних пошкоджень. З метою захисту дюралюмінійових труб від контактної корозії у свердловині можна оцинкувати сталь- ні замки. Зі збільшенням тривалости перебування Al–Cu–Mg- бурильних труб у зоні підвищення температур їхні характеристики міцности поступово понижуються. Необхідно також враховувати можливість підвищення темпера- тури бурового розчину в свердловині. Найбільш небезпечною для матеріялу бурильних труб є температура середовища вище 60 C, за якої умовна межа корозійної втоми сталі є найменшою. За характеристиками міцности Tі-труби є аналогічними тради- ційним конструкційним сталям, але при цьому на 45% легші, а за корозійною стійкістю титан перевершує їх. Широке застосування титанових бурильних труб зумовлено їхніми фізико-хемічними ха- рактеристиками: витримують високі температури (до 1668 C) і на- вантаження, стійкі від корозії, досить міцні та легкі. На внутріш- ньому діяметрі титанових бурильних труб не накопичуються солі й інша органіка. Титанові стопи характеризуються достатнім рівнем в’язкости руйнування, навіть за неґативних температур аж до 100 C. Цим пояснюється широке використання титанових бури- льних труб у будівництві морських платформ для розвідування ро- довищ і добутку нафти та газу на шельфі у складних природніх і ге- ологічних умовах на глибинах від 200 до 2500 м. Разом з тим, вони мають високу вартість, але не потребують додаткових витрат. Од- нак у разі використання титану небезпечною є можливість його во- дневого окрихчення [9], особливо у морському нафтогазодобуванні. Це може привести до пониження пластичности та тріщиностійкос- ти. Для вивільнення прихоплених Ti-труб рекомендовано застосову- вати ударні, віброударні способи або вибухи. 4. ВИСНОВКИ Вибір найефективнішого способу ліквідації прихоплень металевої бурильної труби для конкретного випадку та послідовність їх засто- ДІЯГНОСТУВАННЯ ПРИХОПЛЕНЬ МЕТАЛЕВИХ БУРИЛЬНИХ ТРУБ 711 сування або чергування різних способів мають спиратися на сукуп- ности накопиченого досвіду та зібраної інформації про причини ви- никнення аварії та властивості металу, з якого виготовлено труби. Таким чином, вибір способу ліквідації прихоплень металевих бу- рильних труб при нафтогазовому бурінні залежить від фізико- механічних характеристик металу та є достатньо неоднозначним. У зв’язку з цим необхідно детально розглядати пружньо-деформаційні властивості алюмінійових стопів, сталей, а також перспективних ти- танових стопів для того, щоб розробити рекомендації з вибору мате- ріялу бурильних труб, залежно від протяжности та профілю сверд- ловини, а також передбачених небезпечних для прихоплень зон. При бурінні глибоких і надглибоких похило-скерованих свердло- вин, особливо, горизонтальних, надзвичайно важливо понизити на- пружено-деформований стан МБК, забезпечити безаварійну роботу в умовах екстремальних навантажень, які доводиться прикладати у випадку ліквідації аварії. Розроблений математичний модель виві- льнення прихопленої МБК уможливлює шляхом чисельних розра- хунків ще на етапі проєктування методою послідовного діягносту- вання попереджувати можливість виникнення та ліквідації прихо- плень у розвіданих і спрогнозованих геологами небезпечних зонах. Дано рекомендації з вибору способу ліквідації прихоплень за на- пружено-деформованим станом металевих бурильних труб. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. M. D. Lubrecht, Environ. Sci. Technol., 46, Iss. 5: 2484 (2012). 2. Z. Guan, Yo. Liu, Yu. Shi., K. Wei, J. Wang, H. Liang, and H. Zhang, Procedia Eng., 7: 304 (2010). 3. E. N. Andrusenko, V. I. Gulyaev, and N. V. Shlyun’, Mech. Solids, 51, Iss. 2: 234 (2016). 4. E. I. Kryzhanivs’kyi, R. S. Hrabovs’kyi, and O. M. Mandryk, Mater. Sci., 49, Iss. 1: 117 (2013). 5. V. Moisyshyn, V. Yacyshyn, and O. Vytyaz, Archives Mining Sci., 57, Iss. 3: 601 (2012). 6. B. L. van de Vrande, D. H. van Campen, and A. de Kraker, Nonlinear Dyn., Iss. 2: 159 (1999). 7. К. Г. Левчук, В. М. Мойсишин, І. В. Цідило, Металлофиз. новейшие технол., 38, № 12: 1655 (2016). 8. O. Vlasiy, V. Mazurenko, L. Ropyak, and A. Rogal, Eastern-Eur. J. Enterprise Technol., 1, No. 7 (85) (2017). 9. K. Bateman, G. Turner, J. M. Pearce, D. J. Noy, D. Birchall, and C. A. Rochelle, Oil Gas Sci. Technol., 60, No. 1: 161 (2005). REFERENCES 1. M. D. Lubrecht, Environ. Sci. Technol., 46, Iss. 5: 2484 (2012). https://pubs.acs.org/author/Lubrecht%2C+Michael+D+LG https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/journal/18777058 https://www.sciencedirect.com/science/journal/18777058 https://link.springer.com/journal/11964 https://pubs.acs.org/author/Lubrecht%2C+Michael+D+LG https://doi.org/10.1021/es203765q 712 К. Г. ЛЕВЧУК 2. Z. Guan, Yo. Liu, Yu. Shi., K. Wei, J. Wang, H. Liang, and H. Zhang, Procedia Eng., 7: 304 (2010). 3. E. N. Andrusenko, V. I. Gulyaev, and N. V. Shlyun’, Mech. Solids, 51, Iss. 2: 234 (2016). 4. E. I. Kryzhanivs’kyi, R. S. Hrabovs’kyi, and O. M. Mandryk, Mater. Sci., 49, Iss. 1: 117 (2013). 5. V. Moisyshyn, V. Yacyshyn, and O. Vytyaz, Archives Mining Sci., 57, Iss. 3: 601. 6. B. L. van de Vrande, D. H. van Campen, and A. de Kraker, Nonlinear Dyn., Iss. 2: 159 (1999). 7. K. G. Levchuk, V. M. Moisyshyn, and I. V. Tsidylo, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 38, No. 12: 1655 (2016) (in Ukrainian). 8. O. Vlasiy, V. Mazurenko, L. Ropyak, and A. Rogal, Eastern-Eur. J. Enterprise Technol., 1, No. 7 (85) (2017). 9. K. Bateman, G. Turner, J. M. Pearce, D. J. Noy, D. Birchall, and C. A. Rochelle, Oil Gas Sci. Technol., 60, No. 1: 161 (2005). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581001043X#! https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.11.049 https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.11.049 https://doi.org/10.3103/S0025654416020114 https://doi.org/10.3103/S0025654416020114 https://doi.org/10.1007/s11003-013-9590-6 https://doi.org/10.1007/s11003-013-9590-6 https://doi.org/10.2478/v10267-012-0038-x https://doi.org/10.2478/v10267-012-0038-x https://doi.org/10.1023/A:1008306327781 https://doi.org/10.1023/A:1008306327781 https://doi.org/10.15407/mfint.38.12.1655 https://doi.org/10.15407/mfint.38.12.1655 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.65718 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.65718 https://doi.org/10.2516/ogst:2005010

Ähnliche Einträge