Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
Поставлена задача о теоретическом моделировании бифуркационного выпучивания бурильных
 колонн в глубоких наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых
 скважинах и предложена методика ее решения. Выполнен анализ критических состояний
 бурильных колонн при различны...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48367 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных
 скважинах / В.И. Гуляев, И.В. Горбунович // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860210432683278336 |
|---|---|
| author | Гуляев, В.И. Горбунович, И.В. |
| author_facet | Гуляев, В.И. Горбунович, И.В. |
| citation_txt | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных
 скважинах / В.И. Гуляев, И.В. Горбунович // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Поставлена задача о теоретическом моделировании бифуркационного выпучивания бурильных
колонн в глубоких наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых
скважинах и предложена методика ее решения. Выполнен анализ критических состояний
бурильных колонн при различных значениях угла наклона скважины, скоростей осевого движения
бурильной колонны и ее вращения. Построены формы бифуркационного выпучивания.
Поставлено задачу про теоретичне моделювання біфуркаційного випинання
бурильних колон у глибоких похило скерованих та горизонтальних нафтових
і газових свердловинах та запропоновано методику її розв’язання. Виконано
аналіз критичних станів бурильних колон за різних значень кута
нахилу свердловини, швидкостей осьового руху бурильної колони й її
обертання. Побудовано форми біфуркаційного випинання.
A problem of theoretical modeling of the
bifurcational buckling of drill columns in deep
inclined and horizontal oil and gas wells is formulated
and the procedure of its solution is proposed.
The analysis of the critical states of
drill columns with various values of the borehole
slope angles, axial and rotation speeds of
drill column motion. We have constructed different
forms of bifurcational buckling.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:14:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3:622.24
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных
скважинах
В. И. Гуляев, И. В. Горбунович
Национальный транспортный университет, Киев, Украина
Поставлена задача о теоретическом моделировании бифуркационного выпучивания буриль
ных колонн в глубоких наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых
скважинах и предложена методика ее решения. Выполнен анализ критических состояний
бурильных колонн при различных значениях угла наклона скважины, скоростей осевого дви
жения бурильной колонны и ее вращения. Построены формы бифуркационного выпучивания.
К л ю ч е в ы е слова: наклонно направленные скважины, бурильные колонны,
силы трения, потеря устойчивости, спиральные формы.
Введение. Конец прошлого века ознаменовался появлением целого ряда
новейших технологий в топливно-энергетическом комплексе, особое место
среди которых занимает высокоэффективная система разработки газонефтя
ных залежей с помощью наклонно направленных и горизонтальных скважин
(рис. 1). За счет увеличения площади дренирования применение таких
скважин позволяет существенно увеличить их дебит, продуктивность и
скорость добычи, а также уменьшить себестоимость добычи и общее число
колодцев при разработке конкретных месторождений. Среди наклонных
скважин, наиболее удаленных по горизонтали от буровой установки, одной
из ведущих является горизонтальная скважина с боковым отклонением
12000 м, пробуренная в шельфовой зоне острова Сахалин (третье место в
мировой практике бурения [1]). Проектировщиками ставится задача увели
чить это отклонение до 15000 м.
Рис. 1. Геометрическая схема бурильной колонны в наклонно направленной скважине.
По данным Американского нефтяного института, в настоящее время
успех бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин состав
ляет 76%, для удлиненных скважин аварийной оказывается каждая третья [2,
3]. Учитывая, что их стоимость превышает 50 млн. долларов США, можно
© В. И. ГУ Л Я ЕВ , И. В. ГО РБУ Н О В И Ч , 2008
0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 71
В. И. Гуляев, И. В. Горбуновыч
заключить, что задачи моделирования критических состояний бурильных
колонн (БК) в таких скважинах представляют существенный научный и
прикладной интерес.
Среди этих задач особое место занимает проблема устойчивости БК в
скважине, что обусловлено большой ее длиной по сравнению с диаметром и
размещением внутри скважинной полости, ограничивающей поперечные
перемещения. Поэтому в данной проблеме можно выделить две задачи,
описывающие разные стадии буфуркационного процесса. На первой стадии
происходит переход колонны в безразличное равновесное состояние, в кото
ром наряду с исходной прямолинейной равновесной формой возможна
некоторая другая, выпученная форма. Это состояние наступает при значени
ях силовых факторов, называемых критическими. Для их определения необ
ходимо решать краевую задачу на собственные значения (задача Ш турма-
Лиувилля). Найденные при решении собственные значения определяют
критические значения силовых (продольная сила, крутящий момент) или
кинематических (угловая скорость вращения колонны, скорость течения в
ней жидкости) факторов, а построенные нетривиальные решения - формы
зарождающейся потери устойчивости [4-6]. На второй стадии потери устой
чивости колонна выпучивается, искривляется, касается стенки скважины,
вступает в силовое взаимодействие с ней и переходит в состояние закри-
тического равновесия, в котором она, как принимается в теоретических
расчетах, имеет форму регулярной цилиндрической спирали. Такое состоя
ние обычно является устойчивым, поскольку стенки скважины препятст
вуют дальнейшему деформированию БК, однако его нельзя считать допусти
мым, так как возникающие в результате контактного взаимодействия силы
трения ограничивают ее вращательное движение, а нормальные силы спо
собствуют переходу породы в окрестности скважины в неустойчивое равно
весие и ее обрушению.
Отметим, что решение второй задачи является более простым по срав
нению с первой, поскольку при ее постановке принимается, что выпученная
БК приобретает заданную спиральную форму, и с помощью так называемой
обратной задачи теории балок вычисляются силы и моменты, необходимые
для ее удержания в таком состоянии. Впервые указанный подход исполь
зовался в работе [7], дальнейшее развитие он получил в [8-14], где рассмат
ривались вопросы определения шага выпученной спирали и контактных сил
при различных упрощенных комбинациях граничных условий, учета и не-
учета сил веса и трения, а также разных сочетаний продольной силы и
крутящего момента. Кроме того, как показали настоящие исследования, при
работе БК находится в существенно неоднородном преднапряженном состоя
нии, и при потере устойчивости происходит ее локальное выпучивание с
образованием нескольких нерегулярных спиральных витков, местоположения
которых заранее неизвестно. Поэтому вряд ли являются обоснованными
предпосылки о регулярности форм закритических спиралей, используемые
при постановке задач о закритических равновесиях БК в цилиндрических
скважинах.
Ранее [4-6] предложена методика моделирования эйлеровой потери
устойчивости БК в сверхглубоких вертикальных скважинах с учетом не
72 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочносты, 2008, N 6
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
однородности их преднапряженного состояния, действия крутящего момен
та, а также сил инерции вращательного движения и внутреннего потока
промывочной жидкости. Разработанная методика позволяет находить крити
ческие комбинации определяющих факторов операций бурения, соответст
вующие самому начальному этапу зарождения неустойчивости, и строить
формы начинающегося выпучивания БК. При этом удалось преодолеть
основную трудность процесса теоретического моделирования, связанную с
малым отношением диаметра трубы БК к ее длине. Поскольку по этому
параметру сверхглубокие БК геометрически подобны человеческому волосу,
уравнения, описывающие их изгибное деформирование, приобретают так
называемую “вычислительную жесткость”, и традиционные методы их инте
грирования становятся плохо сходящимися. В вышеуказанных работах высо
кий уровень сходимости вычислений достигнут в результате применения
метода начальных параметров в сочетании с процедурой ортогонализации
по Годунову.
Однако проблема прогнозирования и моделирования начальной стадии
выпучивания приобретает особую специфику, если БК находится в наклон
ной или горизонтальной скважине. В этом случае в общий баланс сил
необходимо включать также силы трения и их моменты. Учитывая, что
наклонные и горизонтальные скважины получают все большее распростра
нение в бурильной практике, отметим, что проблема разработки методики
моделирования устойчивости находящихся в них БК является актуальной.
Напряженное состояние бурильной колонны в наклонной скважине.
Пусть скважина, содержащая БК длиной Ь, наклонена под углом а к
горизонтали. Совместим с осевой линией БК координатную ось 02, направ
ленную в сторону увеличения глубины скважины.
При выводе уравнения устойчивости БК необходимо выделить два
состояния равновесия. В первом состоянии определяются внутренние силы
Т ( 2 ) и моменты М 2 ( 2 ) в БК, вызванные силами тяжести и трения, во
втором - функции Т ( 2 ) и М 2 ( 2 ) используются в качестве коэффициентов в
разрешающих уравнениях и находятся их значения, при которых оператор
уравнений бифуркации вырождается и наступает потеря устойчивости. В
связи с этим вводится ряд упрощающих предположений относительно общей
статической схемы равновесия упругого стержня в наклонном желобе. В
частности, вращение длинной БК в длинной цилиндрической полости про
исходит с малой угловой скоростью и поэтому не учитывается. Несущест
венным считается также влияние сил инерции потоков промывочной жид
кости. Принято, что главными причинами, вызывающими выпучивание БК,
являются внутренняя продольная сила Т ( 2 ) и крутящий момент М 2 ( 2 ). На
формирование этих силовых факторов основное влияние оказывают осевая
сила Я, с которой БК упирается в дно скважины на конце 2 = Ь, крутящий
момент М дол, с которым долото разрушает породу, распределенные силы
гравитации интенсивностью / гр , силы трения / тр и моменты сил трения ш.
Распределенные силы тяжести (рис. 2) вычисляются элементарно: / гр =
= ё (Р т ~ Рж )^ ,гд е ё = 9,81м/с2 - ускорение свободного падения; р т , р ж -
плотности материала трубы БК и промывочной жидкости соответственно; Б -
площадь поперечного сечения трубы. Тогда их осевые и нормальные компо
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 73
В. И. Гуляев, И. В. Горбуновыч
ненты составляют: f z = f ̂ sin а ; f n = f rp cos а . Однако при вычислении
сил трения f Tp и моментов m возникают некоторые трудности, вызванные
неопределенностью коэффициента статического трения в теории сухого
трения. Так, полагают, что сила трения подчиняется закону Кулона [15]:
f тр ~ f if n , С1)
где знак неравенства соответствует трению покоя, знак равенства - крити
ческому состоянию и трению скольжения.
Рис. 2. Силы и моменты, действующие на элемент бурильной колонны.
Поскольку соотношение (1) не позволяет в явном виде определить силы
трения f для их вычисления используются уравнения равновесия системы.
Однако и этот подход в общем случае может оказаться нерезультативным,
если рассматриваемая система содержит тела, соединенные упругими эле
ментами. Учитывая, что система становится статически неопределимой,
состояниям ее равновесия может соответствовать бесчисленное множество
комбинаций сил трения. В качестве примера, иллюстрирующего это свойство
упругих систем с трущимися парами, рассмотрим два тела, расположенные
на наклоненной под углом а плоскости и связанные упругой пружиной
(рис. 3). На тела действуют силы тяжести G t , раскладываемые на силы:
нормального давления N t = G t cos а , тангенциальные силы P t = G t sin а,
силы трения F j[p ( i = 1,2) и силы натяжения пружины Т 12 = —Т 21. Если угол
а меньше некоторого предельного значения, называемого углом трения, то
можно подобрать бесчисленное множество сил упругости Т 12 = — Т 21, при
которых система будет в равновесии. Каждой из них будет соответствовать
своя комбинация сил трения покоя | F ^ | < fi | N 11, | F т | < fi | N 2 1. Однако если
такую систему привести в движение путем, например, увеличения угла а, то
в соответствии с законом (1) силы трения сразу примут единственно возмож
ные значения |F ^ ^ f i N 1!, |F 2Ф|= f i | N 2|.
Аналогичные явления имеют место также для баланса сил трения и
осевых упругих сил, действующих на удлиненную упругую БК в наклонной
скважине. Пока БК находится в состоянии покоя ей может соответствовать
бесчисленное множество функций распределения сил трения f тр ( z ) и про
74 ISSN 0556-171X. Проблемы прочносты, 2008, № 6
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
дольных упругих сил Т ( z ), поэтому задача их нахождения является стати
чески неопределимой. Однако если БК перемешается вдоль оси скважины (с
любой скоростью), то при выбранном законе (1) интенсивность сил трения
составляет / = ± f i g ( Р т - Р ж )^ cos а , где знак “+ ” или “- ” выбирается в
зависимости от направления движения БК.
Поскольку вектор сил трения в трущейся паре всегда направлен вдоль
вектора относительной скорости трущихся тел, то при вращательном дви
жении БК осевая компонента сил трения / = 0, окружная составляющая
этой силы дает распределенный крутящий момент интенсивностью m =
= ± f t g (р т - р X ) F cosа г1, где r1 - наружный радиус трубы БК.
Задача об определении сил трения и их моментов усложняется, когда
БК одновременно и перемещается в осевом направлении и вращается. В
такой ситуации составляющие сил трения в осевом и окружном направ
лениях пропорциональны скоростям движения в этих направлениях эле
мента поверхности трубы БК, трущегося с поверхностью стенки скважины.
Тогда интенсивности осевой силы трения и ее момента рассчитываются по
формулам
Равенства (2) позволяют вычислить внутренние силы Т ( 2 ) и крутящие
моменты М 2 ( 2 ) при различных режимах движения БК внутри скважины. В
частности, из формул (2) следует, что подбором отношения скоростей 2 и
ют! можно регулировать силы сопротивления / Так, если скорость
ЮТ1 > > 2 , то силы / тр становятся очень маленькими, и БК может пере
мещаться вдоль очень длинных горизонтальных участков только под дейст
вием сил тяжести на первом (вертикальном) участке. В этом случае колонна
как бы ввинчивается в скважину, не испытывая осевых сил сопротивления.
Этот факт известен специалистам-бурильщикам и широко применяется на
практике.
Рис. 3. Равновесие тел на наклонной плоскости.
(2)
m = ± f* g (Р т - Р ж ^ c o s а I - =
V( z )2 + (cori)
m = ±M-g( р т - Р ж ^ cos а
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 6 75
В. И. Гуляев, И. В. Горбуновыч
У равнения критических состояний. Рассмотрим устойчивость БК
только на нижнем прямолинейном участке наклонно направленной сква
жины длиной Ь, полагая, что на верхней криволинейной части она испы
тывает наибольшие растянутые внутренние осевые силы и поэтому устой
чивость потерять не может (рис. 1). Как обычно при расчете устойчивости
БК [7-14], примем, что силы тяжести / ( 2 ), силы трения / ( 2 ) и их
моменты не препятствуют ее выпучиванию, а влияют только на преднапря-
жение в критическом состоянии.
Особенность бифуркационного выпучивания БК под действием внутрен
них силы Т ( 2 ) и момента М 2 ( 2 ) заключается в том, что форма ее потери
устойчивости может быть только трехмерной [4-6]. Поэтому геометрию БК
будем описывать с помощью двух искомых переменных и ( 2 ), V( 2 ), пред
ставляющих собой ее поперечные перемещения вдоль осей О х и О у соот
ветственно. В связи с большой длиной БК и ее гибкостью граничные
условия для этих функций на краях 2 = 0, 2 = Ь несущественно влияют на
критические состояния. Поэтому можно считать, что БК шарнирно закреп
лена на концах.
Уравнения потери устойчивости упругого стержня под действием силы
Т ( 2 ) и момента М 2 ( 2 ) имеют вид [4]
где и, V - поперечные перемещения упругой линии БК в деформированном
состоянии в плоскостях Ох2 и О у 2 соответственно; I - момент инерции
поперечного сечения трубы БК относительной осей Ох и О у; Е - модуль
упругости материала БК.
Учитывая, что и Т и М 2 зависят от 2 , записываем систему (3) в окон
чательном виде
Для рассмотренного случая равновесия БК в наклонной скважине силу
Т ( 2 ) можно представить в виде
(3)
Т (2) = - Я + ( / тр - Д )(2 - Ь) =
76 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочносты, 2008, № 6
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
Тогда получим
= &(Р т - Рж )р \М с° 8«
Крутящий момент вычисляется аналогично:
М 2 ( 2) = М дол + т( 1 - 2 ) =
= М дол + № ( Р т - Р ж )Р С°Э а I - = г ( ̂ - 2). (7)
д/( 2 )2 + (®Г!)2
Производная от него записывается в виде
й Ы 2
= - № ( Р т - Р ж )Р с° 8 «
7 ( 2)2 + (и г у ) 2 '
(8)
С помощью равенств (5)-(8) уравнения устойчивости (4) приводятся к
окончательному виду
Полагаем, что на концах 2 = 0, 2 = Ь реализуются условия шарнирного
опирания. В таком случае имеем краевые условия:
Комбинации функций (5)-(8), при которых однородная система (4), (9)
наряду с тривиальными решениями имеет и нетривиальные, являются кри
тическими. Они характеризуют состояния колонны, при которых она начи
нает выпучиваться, приобретая пространственную криволинейную форму
Для определения этих состояний и построения бифуркационных форм при
меняется метод начальных параметров в сочетании с методом ортогона-
лизации по Годунову. При этом соответствующая матрица размера 8 X 8
частных решений (фундаментальная матрица, или матрица Коши) вычис
ляется с помощью численного метода Эверхарта [4].
Обсуждение результатов. Для исследования влияния на устойчивость
БК угла наклона а прямолинейного участка скважины и отношения ско
рости 2 осевого движения к окружной скорости тгу элемента ее наружной
поверхности выбран случай, когда ее длина Ь = 4000 м. Наружный г и
внутренний Г2 радиусы трубы колонны составляют 0,08415 и 0,07415 м
соответственно; материал трубы - сталь с механическими параметрами:
11 3 3
Е = 2,1-10 Па; р т = 7,8-10 кг/м ; влияние промывочной жидкости не
учитывалось. Полагали, что в процессе бурения БК нижним концом упира
ется в дно скважины, тогда Я = 1,6-105 Н. Если торцевая часть долота
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 6 77
и(0) = V (0) = 0; и ^ (0) = ^ 2 (0) = 0;
и( Ь ) = V (V) = 0; и"22 (V) = у"22 (V) = 0. (9)
В. И. Гуляев, И. В. Горбуновыч
выведена из контакта с породой, то К = 0. Коэффициент трения ц принят
равным 0,2. Момент сил трения М дол, действующих на долото, варьиро
вался.
Поскольку в рассмотренном случае внутренние сила Т ( 2 ) и момент
М 2 ( 2 ) не зависят от ю, а определяются только отношением 2 /ю г и вели
чинами К и М дол, для каждой выбранной комбинации этих параметров по
формулам (5), (7) вычисляли функции Т ( 2 ), М 2 ( 2 ) и затем путем варьиро
вания значением М дол находили его критическое значение М дрл = М ^р(Ь)
и строили форму потери устойчивости. Результаты расчетов представлены в
таблице. Они соответствуют различным значениям угла наклона а, выра
женного через угол трения агС^ ц. При а < агС^ ц невращающаяся колонна
удерживается в неподвижном состоянии силами трения, при а > агС^ ц для
ее удержания к верхнему концу необходимо приложить продольную растя
гивающую силу, случай а = агС^ ц является предельным.
Критические значения продольных сил Ткр (0) и крутящих моментов М2кр (0)
в бурильной колонне
№
позиции
2/ юг К = -Т (Ь)
н
а,
рад
а
М2кр(0),
Н-м
м2р (Ь) = м дк0рл,
Н-м
1 0,1 0 0,1аг^ ц - - -
2 0,1 0 0,5аг^ ц 119844 2755366 2730000
3 0,1 0 а г ^ ц 268813 4154996 4130000
4 0,1 0 1,25аг^ ц 342406 14134718 14110000
5 0,1 0 3аг^ ц 824489 11361150 11340000
6 0,1 1,6 -105 а г ^ ц 108813 4154996 2754000
7 0,1 1,6 -105 1,25аг^ ц 182406 14134718 1980800
8 0,1 1,6-105 п/ 2 1362139 6911000 6911000
9 10 0 0,1аг^ ц - - -
10 10 0 0,5аг^ ц - - -
11 10 0 а г ^ ц - - -
12 10 0 1,25аг^ ц 78037 3294472 3292000
13 10 0 3 а г ^ ц 598286 9694115 9692000
14 10 1,6-105 а г ^ ц - - -
15 10 1,6-105 1,25аг^ ц - - -
16 10 1,6-105 п/ 2 1326139 5003000 5003000
При проведении исследований рассматривались два случая: БК медленно
опускалась вниз и сравнительно быстро вращалась (2/ ю г = 0,1); при ее
спуске осуществлялось медленное вращение (2/ юг1 = 10). Формы потери
устойчивости, построенные для первого случая при найденных значениях
М!кр(Ь), соответствующих поз. 1-8 в таблице, приведены на рис. 4,а. Все
78 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочносты, 2008, № 6
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
они имеют вид нерегулярных спиралей с переменным шагом и различным
расположением мест преобладающего выпучивания. В значительной сте
пени характер выпучивания БК зависит от вида функций Т ( г ), М 2 ( г ) и
локализации их максимальных значений. В простейшем случае, когда Т ( г )
и М г ( г ) постоянны, удалось получить аналитическое выражение для
критического значения крутящего момента [16]:
м к р = ± 2 л/Е 7л/ я 2 Е / Д 2 + Т , (10)
которое использовалось для тестирования точности предложенной мето
дики.
0,5 агс^ {л
Рис. 4. Формы бифуркационного выпучивания бурильных колонн в наклонно направленных
скважинах: а - г/юг[ = 0,1; б - г / = 10.
Рассматривалась модельная задача, в которой труба бурильной колонны
длиной 4000 м в отсутствие сил трения подвергалась действию постоянной
по всей длине продольной растягивающей силы Т = 100000 Н, и рассчи
тывалось критическое значение крутящего момента М ^р. Согласно форму
ле (10) в этом случае получим М ^р = 1146199,410 Н* м. В результате вы
полнения вычислений с помощью предложенного подхода значение М ^р
оказалось равным 1146199,445 Н*м. При проведении тестирования расчет
ная длина БК разбивалась на 70000 участков интегрирования и на ней
задавались 150 точек ортогонализации.
Из формулы (10) следует, что при Т = 0 величина М ^р обратно
пропорциональна длине БК:
0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 6 79
В. И. Гуляев, И. В. Горбуновыч
М * р = ± 2 л Б І/Ь .
Если БК сжата (Т < 0), то М ^р уменьшается, растяжение БК (Т > 0)
приводит к увеличению М *р- Поэтому, например, в случаях, когда БК сжата
в ее нижней части реакцией Я, критические значения крутящего момента
МКР(Ь) сравнительно невелики (в таблице поз. 6, 7). В то же время на
критическое состояние и форму выпучивания БК большое влияние оказы
вает также угол а наклона скважины, поскольку от него существенно
зависят знаки и распределения функций Т ( 2 ) и М 2 ( 2 ) на внутренних
участках колонн. Действительно, как свидетельствуют равенства (5)-(8), эти
функции линейно изменяются вдоль длины БК, причем М 2 ( 2 ) максималь
но в сечении 2 = 0, а Т ( 2 ) в зависимости от а может увеличиваться и
уменьшаться при приближении к сечению 2 = 0 (таблица).
При а = 0,1 (в таблице поз. 1) силы трения настолько велики, что
колонна оказывается сжатой на участке большой протяженности и поэтому
неустойчива даже в отсутствие крутящих моментов. Этот эффект усили
вается с увеличением скорости опускания колонны (в таблице поз. 9-16 для
случая 2 /юті = 10). При таком соотношении скоростей 2 и ю т стабильное
опускание колонны становится возможным, начиная с угла наклона а =
= 1,25агС^ л в случае Я = 0 (в таблице поз. 12). Формы потери устойчи
вости БК для этого режима опускания представлены на рис. 4,б. Они
характеризуются преобладающим выпучиванием в зоне 2 = Ь с нулевыми
или малыми растягивающими силами Т ( 2 ).
В ы в о д ы
1. Поставлена задача о возникновении критических состояний буриль
ных колонн в прямолинейных наклонно направленных скважинах, постро
ены разрешающие соотношения и предложена методика их решения.
2. С помощью компьютерного моделирования найдены критические
значения осевых сил и крутящих моментов в режимах спуска бурильных
колонн в скважинах с различными углами наклона при разных соотноше
ниях между скоростями спуска и вращения колонны.
3. Установлено, что путем вращения бурильной колонны можно стаби
лизировать ее прямолинейную форму и осуществлять спуск даже в сква
жинах с малым углом наклона.
Р е з ю м е
Поставлено задачу про теоретичне моделювання біфуркаційного випинання
бурильних колон у глибоких похило скерованих та горизонтальних нафто
вих і газових свердловинах та запропоновано методику її розв’язання. Вико
нано аналіз критичних станів бурильних колон за різних значень кута
нахилу свердловини, швидкостей осьового руху бурильної колони й її
обертання. Побудовано форми біфуркаційного випинання.
80 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочносты, 2008, № 6
Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах
1. M c D e rm o tt J. R ., Viktorin R. A ., S ch am p J. H ., e t a l. Extended reach drilling
(ERD) technology enables economical development of remote offshore field
in Russia // SPE: Drilling Conf. (23-25 February 2005). - Amsterdam,
Netherlands. - P. 183 - 188.
2. Ф ост ер Б. “Сетевые графики”, улучшающие показатели бурения сква
жин с горизонтальным смещением забоя // Нефтегазовые технологии. -
2005. - № 3. - С. 19 - 24.
3. M oh iu dd in M . A., K h an K , A bdu lrah eem A., e t al. Analysis of wellbore
instability in vertical, directional and horizontal wells using field data // J.
Petroleum Sci. Eng. - 2007. - 55. - P. 83 - 92.
4. Г уля ев В. И ., Г ай д ай ч ук В. В ., С ол овьев И. Л., Г орбун ови ч И. В . Квази-
статические критические состояния колонн глубокого бурения // Пробл.
прочности. - 2006. - № 5. - С. 109 - 119.
5. Г уля ев В. И., Л у го в о й П. 3., Б ел ова М . А ., С ол овьев И. Л . Об устой
чивости равновесия вращающихся бурильных колонн // Прикл. меха
ника. - 2006. - № 6. - С. 101 - 109.
6. Г уля ев В. И., Г ай д ай ч ук В. В., Х удоли й С. Н ., Г ловач Л . В . Компьютер
ное моделирование статических состояний бурильных колонн в наклон
но направленных скважинах с геометрическими несовершенствами //
Нефтегазопромысловый инжиниринг. - 2006. - № 4. - С. 26 - 29.
7. L u bin sk i A . Developments in Petroleum Engineering. - Houston: Gulf
Publishing Company, 1987. - Vol. 1. - 438 p.
8. C hao S. a n d L u k a s iew icz S. A new model on the buckling of a rod in tubing
// J. Petroleum Sci. Eng. - 2006. - 50. - P. 78 - 82.
9. Cunha J. C. Buckling of tubulars inside wellbores: a review on recent
theoretical and experimental works // SPE Drilling and Completion. - 2004.
- 19, No. 1. - P. 13 - 19.
10. H u an g N. C. a n d P a ttilo P. D . Helical buckling of a tube in an inclined well
bore // Int. J. Non-Linear Mech. - 2000. - 35. - P. 911 - 923.
11. K w o n a n d Young W. Analysis of helical buckling // SPE Drilling Eng. -
1988. - June. - P. 211 - 216.
12. M itc h e ll R. F . New concepts for helical buckling // Ibid. - 1988. - Sept. -
P. 303 - 310.
13. M itc h e ll R. F . The twist and shear of helically buckled pipe // SPE Drilling
and Completion. - 2004. - 19, No. 1. - P. 20 - 28.
14. M itc h e ll R. F . Simple frictional analysis of helical buckling of tubing // SPE
Drilling Eng. - 1986. - 1, No. 6. - P. 457 - 465.
15. Л у р ь е А. И . Аналитическая механика. - М.: Физматгиз, 1961. - 834 с.
16. Ф ео д о сьев В. И . Избранные задачи и вопросы по сопротивлению мате
риалов. - М.: Наука, 1967. - 237 с.
П о с т у п и л а 04 . 03. 2008
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 6 81
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48367 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:14:03Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гуляев, В.И. Горбунович, И.В. 2013-08-18T15:58:47Z 2013-08-18T15:58:47Z 2008 Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных
 скважинах / В.И. Гуляев, И.В. Горбунович // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 71-81. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48367 539.3:622.24 Поставлена задача о теоретическом моделировании бифуркационного выпучивания бурильных
 колонн в глубоких наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых
 скважинах и предложена методика ее решения. Выполнен анализ критических состояний
 бурильных колонн при различных значениях угла наклона скважины, скоростей осевого движения
 бурильной колонны и ее вращения. Построены формы бифуркационного выпучивания. Поставлено задачу про теоретичне моделювання біфуркаційного випинання
 бурильних колон у глибоких похило скерованих та горизонтальних нафтових
 і газових свердловинах та запропоновано методику її розв’язання. Виконано
 аналіз критичних станів бурильних колон за різних значень кута
 нахилу свердловини, швидкостей осьового руху бурильної колони й її
 обертання. Побудовано форми біфуркаційного випинання. A problem of theoretical modeling of the
 bifurcational buckling of drill columns in deep
 inclined and horizontal oil and gas wells is formulated
 and the procedure of its solution is proposed.
 The analysis of the critical states of
 drill columns with various values of the borehole
 slope angles, axial and rotation speeds of
 drill column motion. We have constructed different
 forms of bifurcational buckling. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах Stability of drill columns in the inclined boreholes Article published earlier |
| spellingShingle | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах Гуляев, В.И. Горбунович, И.В. Научно-технический раздел |
| title | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| title_alt | Stability of drill columns in the inclined boreholes |
| title_full | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| title_fullStr | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| title_full_unstemmed | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| title_short | Устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| title_sort | устойчивость бурильных колонн в наклонно направленных скважинах |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48367 |
| work_keys_str_mv | AT gulâevvi ustoičivostʹburilʹnyhkolonnvnaklonnonapravlennyhskvažinah AT gorbunovičiv ustoičivostʹburilʹnyhkolonnvnaklonnonapravlennyhskvažinah AT gulâevvi stabilityofdrillcolumnsintheinclinedboreholes AT gorbunovičiv stabilityofdrillcolumnsintheinclinedboreholes |