Дәріс 3. Ұңғылардың табиғи қисаю себептері

Барлық бар әдістермен бұрғылау кезінде ұңғы оқпаны әртүрлі дәрежеде берілген бағыттан өздігінен ауытқиды. Мұндай көрініс табиғи қисаю болып табылады. Сондықтан, бағытталған ұңғыларды жақсы бұрғылау үшін табиғи қисаюдың себептерін мұқият тексеру керек. Қисаюдың заңдылықтарын біле отырып, оның алдын алуға немесе арналарды жобалауда және бағытталған ұңғыларды бұрғылауда қолдануға болады.

Көптеген ғалымдардың ізденіп еңбектенуімен ұңғы қисаюының негізгі себептері анықталды. Мұндай себептер өз кезегінде үш негізгі топтарға бөлінеді: техникалық, технологиялық және гологиялық.

Техникалық себебі. Мұндай себептер тобына бұрғы қондырғысын дұрыс орнатпау немесе оның щпиндель осінің ұңғының шегендеуші құбыр осімен сәйкес келмеуі, бұрғылау үрдісі кезінде кіші диаметрлі жыныс талқандаушы аспапқа ауысудың дұрыс әдісін пайдаланбауы, сондай-ақ , стандартқа сәйкес және дәлдігіне қатысты ауытқуы бар жыныс талқандаушы аспапты, колонкалық және бұрғылау құбырларын пайдалану жатады.

Бұрғы қондырғысын дұрыс орналастырмау айналдырғыштың (шпиндельдің) дұрыс орналаспауына немесе қондырғы негізінің көлденең жазықтықтан ауытқуына әкеліп соқтырады. Сонымен, айналдырғыштың көлбеулігі дұрыс қойылмаса, ұңғының нақты арнасы жобадағы арнадан мантаждау кезінде жіберілген қателіктің шамасы тең шамаға ауытқиды.

Станок жақтауларының қиғаштануы әсерінен болатын жобаланған арнадан ұңғының алғашқы азимуттық ауытқуын анықтауда Д.И. Башкатовтың формуласын қолданады.

(18)

немесе И. А. Грибскийдің формуласын қолданылады.

(19)

Станокты монтаждау кезінде жіберілген кішкене көлбеулік (қиғаштық) үлкен азимуттық ауытқуларға және жобаланған арнадан ұңғы оқпандарының ауытқуына әкелуі мүмкін.

Бұндай жағдайда ауытқудың өсуіне және үңғы арнасының жобадан жылжуына мынандай себептер әсер етеді, бағыттағыш құбырдың ұңғы осімен сәйкес келмеуі және бұрғылау кезінде үлкен диаметрлі жыныс талқандағыш құралдан кіші диаметрлі құралға көшкенде байқалады. (сурет. 7).

Мұндай себептер ұңғы осіне сәйкес бұрғы құралдарының және бұрғы қондырғысының қисаюына әкеліп соқтырады. Мұндай себептер ұңғы оқпанының ауытқуы тек жоғарыда ғана емес, сонымен қатар, ұңғының тереңдігінде де әсер етуі мүмкін.

Бұрғылау үрдісі кезінде жыныс талқандаушы аспаптың, колонкалы және бұрғылау құбырларының стандартқа сәйкес жасалмауы да ұңғының қисаюына алып келеді.

Технологиялық себептер тобына мыналар жатады:

- талқандау әдістеріне (бұрғылау түрі) байланысты және бұрғылау режимінің технологиялық көрсеткіштері мен бұрғыланатын жыныстардың қасиеттерінің үздіксіз тіркесі;

- колонкалы жинақтың және бұрғы құбырларының құрамының дұрыс таңдалмағаны, жыныс талқандағыш құралдың түрі мен жағдайы;

Бұл факторлардың қатарына бұрғылау колонасының айналу бағыттары да жатады.Осы факторлар бұрғылау құбырлары тізбегінің төменгі бөлігінің иілуіне, жынысталқандағыш құралға остік және басқа күштердің бірқалыпты түспеуіне және ұңғы түбі мен қабырғаларының біркелкі талқандалмауына әкеледі.

Ұңғының нақты диаметрі жыныстардың физика – механикалық қасиеттерімен, бұрғылау тәсілімен және жынысталқандағыш құралдың құрылымдық ерекшеліктерімен анықталады. Алмасты коронкалармен (қашаулармен) бұрғылау кезінде ұңғы қабырғасын бірқалыпты бұрғыланады және олардың бұрғыланғыштығы өте төмен болады. Оның себебі, матрицадан шығып тұратын коронка жасау үшін қолданылатын кескіш алмас түйіршіктер өлшемінің үштен бірі шығуына байланысты.

 

Сурет. 10. Шегендеуші құбырдың (а) оске сәйкес отырылғызбауы себебінен ұңғының қисаю схемасы, ұңғы диаметрі өзгеру кезіндегі әдісті дұрыс қолданбауы (б).

 

Үлкен диаметрлі (93 мм және одан жоғары) аомасты жынысталқандағыш құралмен геологиялық – барлау ұңғыларын бұрғылау кезінде зениттік және азимуттық қисаюлардың азаюы байқалады.

Қатты қорытпалы армирленген коронкалармен шарошкалы қашаулармен жұмсақ және орта қаттылықты жыныстарды бұрғылау жүргізіледі. Бұл жағдайда ұңғы оқпанының бұрғыланғыштығы және қисаюдың қарқындылығы алмасты коронкалармен бұрғылауға қарағанда көп есе үлкен болуы мүмкін.

Колонкалы жиынтықпен және ұңғы қаттамасы арасындағы едәуір саңылау гидросоққымен бұрғылау кезінде 2-4 мм үлкеюі кейбір кезде ұңғының қатты қисаюына себепші болады.

Кез-келген бұрғылау тәсілі кезінде ұңғының көлбеулігі оның оқпанын өңдеуге әсерін тигізеді. Бірақ алмасты және қатты қорытпалы коронкамен бұрғылауда бұл әсер болмашы ғана, ал шарошкамен және гидросоққышпен жатын қабырғаның бұзылуы анағұрлым жоғары болады, ол көлбеу ұңғының бұралуына (выкручивание) нақты жағдайларды туғызуы мүмкін.

Жуу сұйығының сапасы мен мөлшері жұмсақ жыныстарды бұрғылау кезінде ұңғының қисаюына өте әсерін тигізеді. Жуу сұйығының жоғары көтерілу ағысы қатты жылдамдықпен ұңғы қабырғаларын қатты шайып, үлкен саңылаулармен снарядтың қисаюына әкеледі. Бұл ұңғының қисаюына әкеледі.

Ұңғының қисаюына айналу жиілігі және остік күштің тигізетін әсері анағұрлым. Мұндай әсерлердің ерекшелігі мен сипатын анықтау үшін айналмалы бұрғылау кезіндегі бұрғы құбырлар колоннасының жұмысын қарастырамыз.

Бұрғылау құбырлары біршама қатты болады, ал колоннаның ұзындығы оның көлденең қимасын жүздеген және мыңдаған есе асырады.

Бұрғылау құбыр колонналарын үш түрлі бөлікте сипаттауға болады: жоғарғы, ортаңғы және төменгі. Жоғарғы бөлік – созылады, майысады және бұралады, ортаңғы – майысады және бұралады және төменгі – сығылады, майысады және бұралады. Қисаюға тікелей әсер ететін төменгі аумақ, яғни бұрғылау құбырының төменгі жағы.

Бұрғылау құбыр колоннасының бойлық иілуі сығылу күші белгілі шектік (критической) шамаға жеткенде болады.

(19)

мұндағы: Е— серпімділік модулі, темір (сталь) үшін Е = 2*10⁶ кгс/см²; — көлденең қима инерциясының остік моменті, см⁴; — колонкалық құбыр ұзындығы, см; т — жарты толқын саны.

(19) формулада көрсетілгендей берік жүйенің қандайда бір бойлық сығылу күштің әсерінен құбырдың майысқан жартылай толқын түрін алуға болады. Пайда болған бір жартылай толқынды есептейтін (19) формуланы белгілі Эйлер формуласымен түрлендіреміз:

(20)

мұндағы: , — коэффициент, (колоннаның төменгі бөлігінің бекітілу шартына байланысты коэффициент ).

Бұрғылау құбыр колоннасының төменгі бөлігіне бойлық күштен басқа көлденең күш те әсер етеді, нәтижесінде айналу жиілігінің өсуінен жарты толқын саны да көбеюі мүмкін. Мұндай жағдайда жарты толқын ұзындығын есептеуде Б. И. Воздвиженскидің және М. Г. Ва­сильевтің формуласын пайдаланамыз:

(21)

мұндағы: — айналудың бұрыштық жылдамдығы, рад/с; Р = qL — колоннаның өзіндік салмағы, кгс; q — жеке колоннаныңсалмағы, кгс/см; L — бейтарап қимадан колоннаның қаралатын нүктесіне дейінгі аралық, см; g — жердің үдеуі, в см/с²; п — бұрғылау колонасының айналу саны, об/мин; EI — колоннаның қаттылығы, кгс/см²; v и — сандық коэффициент, бұрғылау құбырларының диаметрлерінің мәні мен олардың қосылыстарының түрі.

Бұл формуламен алынған нәтижелерді ең төменгі толық санға дейін дөңгелектеу (округ­лять) керек

Бұрғылау құбырының майысу нәтижесінен жарты толқын ұңғы қабырғасына қандайда бір қысым көрсетеді, соның әсерінен түйісу күші өсіп жарты толқын ұзындығы азаяды.

Колоннаның майысуы кезінде туған моменттің әсер етуімен бұрғы снарядының төменгі, яғни жыныс талқандаушы аспапты алып жүретін бөлігі ұңғы оқпанының түпкі осіне қатысты қисаяды.

Майысқан бұрғылау құбыр колоннасының айналу сипаттамасы оның ішкі және сыртқы үйкеліс күштеріне қатысты, содай-ақ, ауытқу күші мен майысу моментерінің әсер етуімен анықталады. Соңғысы жыныс талқандаушы аспаптың қаттылықтары әртүрлі жыныстарын қыйған кезінде болады және мұндай аралықтағы ұңғының тереңдеу бағыты бірқалыпты болады. Мұндайдың болуы геологиялық себептерге байланысты.

Геологиялық себебі. Тау жынысы - бұрғыланғыштығы әртүрлі, жер қыртысының қабаты, олар беріктігімен, абразивтігімен, тығыздығымен, минералдық құрамымен, қабаттылығымен, тақтатастылығымен, метаморфизалық дәрежелігімен және т.б. анықталады.

Бұрғылау үрдісі кезінде изотропты тау жыныстарын бұрғылағанда олар осі ұңғының осімен сәйкес келетін жыныс талқандағыш құралдың түбінде талқандалуы біркелкі жүреді.

Анизатропты қабатты жыныстардың қабаттасу жазықтығына параллель бағытпен өлшенген қаттылығы, қабаттастыққа перпендикуляр бағыттағы қаттылықтан әрқашан үлкен болады. Үлкен қаттылық пен кіші қаттылықтың қатынасы анизатроптықтың дәрежесі деп аталады. Анизатроптықтың дәрежесі бірдей тау жыныстарында кең аралықта өзгере алады (1-ден 1,75-ке дейін).

Бұл зерттеудің нәтижесі физика-механикалық қасиеттері өзара перпендикуляр бағытта әртүрлі болуына байланысты жыныстарды бұрғылауда жынысталқандағыш құралдың астындағы ұңғы түбі бірқалыпты талқандалмайтындығын жобалаудың негізін береді.

сурет. 9. Қатты қорытпалы коронкамен анизатропты жыныстарды бұрғылауда ұңғы түбінің талқандалу сызбасы: а — ұңғының түбі; 6 — А—А қимасы: в - В—В қимасы. г —колонкалы жиынтықтың қисаюы.

Бұл зерттеу ұңғы мен анизатропты жыныстарды олардың талқандалуға аз қарсылықты сызығы мен сүйір бұрышпен қиып өткенде ұңғының түбі және оның оқпанының қимасы сопақ пішінді болатындығын дәлелдейді (сурет. 9, а). Осының нәтижесінде, колонкалық тізбек жынысталқандағыш құралға әсер ететін күштің әсерінен қисаюдың белгіленген қалпын алады, ал оның бағыты ұңғының анизатропты жыныстардың аз қарсылық көрсету жазықтығына қарай қисаюына ықпалын тигізеді (рис. 9, г). Анизатропты жыныстарды бұрғылау кезінде ұңғылардың қисаю қарқындылығы ұңғының аз қарсылық көрсету жазықтығымен кездесу бұрышының шамасына байланысты. Ең үлкен қисаю қарқындылығы кездесу бұрышының 30°-тан 60°-қа дейінгі аралықта байқалады.

 

Сурет. 10. Жұмсақ және қатты жыныстардың шектесу жерінде коронка түбінің астындағы әсерлердің таралуы: а — үйкеліс күшін есептемегенде, 6 — үйкеліс күшін есептегенде.

Жұмсақ және қатты жыныстардың шектесу жерінде сүйір бұрышпен () кездесу кезінде, кез-келген ұңғының оқпаны шектесу жазықтығының нормаліне қарай қисаяды. Қатты жыныстар мен жұмсағырақ жыныстардың шектесу жерінде ұңғы оқпаны нормальдан басқа жаққа қарай қисаяды. Жұмсақ және қатты жыныстардың шектесу жерінде сұйірлігі жоғары бұрышпен () кездескенде, ұңғы оқпанының қатты тау жыныстарының құлау жазықтығы бойымен сырғанауы байқалады. Жынысталқандаушы құралдың шектесу жазықтығы бойымен сырғанауы тоқталып және оның қатты жынысқа енуі кезінде, ұңғы осінің жұмсақ және қатты жыныстардың шектесуімен кездесу бұрышы шектік (критический) бұрыш деп аталады. Бұл бұрыштың шамасы жынысталқандаушы құралдың түріне байланысты болады және ол 10-20° аралығында өзгеріп отырады.

Егер жынысталқандаушы құрал жұмсақ жұмсақ жыныстарды бұрғылау кезінде қатты жыныспен А нүктесінде ұңғы осіне бұрышпен түйісетін болса, онда бұл жағдайда пайда болатын түптік күш R₁ және R₂ әсерлерінің шамасы мен бағыты бірдей болмайды.Осы күш құраушысы ұңғы осіне R_0TK, нормаль бола отырып , ауытқушы күш болып есептеледі.