Основной вид нагрузки на бурильную колонну – это осевая растягивающая сила от собственного веса. С увеличением массы подвешенной части колонны напряжения в верхнем сечении секций растут и могут превысить допустимые значения. На величину растягивающих усилий в колонне влияет плотность материала труб. Чем меньше плотность, тем больше может быть длина колонны. Согласно расчётам допустимая глубина подвески для одноразмерной колонны стальных труб составляет 8,5 км, а для алюминиевых – до 36 км. Разумеется, на глубину подвески влияет и прочность материала труб. Для иллюстрации приведём таблицу 2. Кроме собственного веса, колонна испытывает дополнительные растягивающие усилия во время её подъёма с включёнными насосами перед отвинчиванием ведущей трубы. Промывочная жидкость, выходя из колонны, создаёт совместно с гидравлическими сопротивлениями перепад давления, который растягивает трубы. Во время бурения эта часть нагрузки передаётся на забой и при расчётах не учитывается.

Таблица 2

Для обеспечения допускаемых растягивающих напряжений бурильную колонну выполняют многосекционной. В нижней части, где масса подвески не велика, применяют трубы с меньшей толщиной стенки, т. е. менее прочные. Чем выше сечение, тем больший вес подвешенных секций, тем большие напряжения растяжения возникают в каждом сечении. После достижения предельно допустимой нагрузки применяют более прочные трубы, например, с большей толщиной стенки, и / или с более высокой группой прочности, или переходят на трубы большего диаметра. При авариях с бурильными трубами к колонне прикладывают дополнительные нагрузки. Их допустимая величина оговаривается правилами безопасности. В любом случае она не должна превышать допустимой нагрузки на наиболее слабую трубу. Другой вид осевых усилий, действующий на бурильный инструмент, – сжимающие. Они возникают при создании осевой нагрузки на долото за счёт части веса УБТ. При этом на разных участках бурильного инструмента возникают напряжения растяжения и сжатия, идеальная эпюра которых приводится на рис.83.

В реальных условиях эпюра искажается из-за трения колонны о стенки скважины, т. е. линия АВ не будет идеальной прямой. При работе долота сжимающие нагрузки носят динамический характер, так как долото является источником вертикальной вибрации. Для повышения массы и жесткости бурильной колонны устанавливают УБТ. Из-за большего веса УБТ их длина относительно невелика. Длина секции УБТ определяется так, чтобы нейтральное сечение C на рис. 1.2 всегда приходилось на УБТ. Таким образом, нагрузку на долото создаёт примерно 75 % массы утяжелённых труб. При вращении колонны ротором к ней прикладывается крутящий момент, который имеет наибольшее значение у устья скважины и минимален у забоя. Он также содержит нестационарные флуктуации, вызванные как работой долота, так и трением труб о стенки скважины.

Рис.83 Эпюра напряжений от растяжения-сжатия бурильного инструмента

При бурении забойным двигателем на колонну действует реактивный момент. Непосредственно над двигателем, он равен моменту на долоте, а затем, по мере удаления от забоя, уменьшается из-за действия сил трения колонны о стенки скважины и с ростом глубины снижается до нуля.

Таким образом, при бурении ротором крутящий момент максимален у устья скважины и минимален у забоя. При бурении забойным двигателем, наоборот, – реактивный крутящий момент максимален у забоя и минимален у устья. Внутреннее давление в бурильной колонне появляется при нагнетании в неё промывочной жидкости. Его величина принимается равной давлению на стояке. Возникающие при этом напряжения должны учитываться при расчёте колонны на прочность.

Наружные сминающие давления не являются характерными для бурильной колонны. Эта ситуация может возникнуть, например, при спуске бурильной колонны с обратным клапаном без долива или при большой скорости спуска, когда жидкость не успевает войти в колонну. Большое значение для прочности колонны имеют изгибающие усилия. Они возникают по двум причинам.

Совершенно очевидно, что если скважина искривлена, то и бурильная колонна имеет близкую форму, что вызывает появление изгибающих усилий в местах искривления. В вертикальной скважине изгибающие усилия возникают от действия центробежных сил при вращении колонны ротором.

Особенно существенное влияние они оказывают на замки, являющиеся местами сосредоточения массы. На искривлённом участке скважины при вращении колонны ротором в верхней точке сечения изогнутой части трубы возникают напряжения сжатия, а на противоположной стороне – растяжения. Через пол-оборота они меняются местами, и в теле трубы возникают знакопеременные напряжения изгиба, которые наиболее опасны, так как приводят к усталостным разрушениям.

Совершенно иначе действуют усилия на колонну бурильных труб при бурении скважин с горизонтальным участком, под которым следует понимать часть ствола скважины, проходящего вдоль продуктивного пласта. Часть колонны, которая находится в вертикальном и искривлённом стволе, испытывает все виды описанных нагрузок. Однако на горизонтальном участке колонна лежит на стенке скважины и не испытывает растягивающих усилий.

Для осуществления процесса бурения нагрузка на долото и продвижение колонны к забою производится частью веса труб, находящихся вне горизонтального участка. Следовательно, на горизонтальном участке колонна испытывает сжимающие нагрузки. Потери устойчивости колонны на горизонтальном участке называется баклингом. Во время спускоподъемных операций бурильная колонна испытывает динамические усилия, вызванные инерционными силами при изменении скорости её движения.

Перечислим нагрузки, действующие на бурильный инструмент в процессе бурения:

 • осевая растягивающая нагрузка от действия собственного веса труб;

• осевая сжимающая нагрузка, действующая на нижнюю часть КНБК во время бурения;

 • крутящий момент при вращении колонны ротором;

• реактивный крутящий момент от работы забойного двигателя;

• изгибающий момент, возникающий при искривлении скважины или от действия центробежных сил или под действием возможных сжимающих усилий в секции УБТ;

 • внутреннее давление от работы насосов;

• наружное сминающее давление, возникающее при разности уровней жидкости в колонне и скважине или при большой скорости спуска;

 • динамическая нагрузка, возникающая при СПО.