Виды вибрационных колебаний долота

Для более подробного изучения темы оборудования, противодействующего негативным последствиям возникающих вибраций бурового инструмента, необходимо определить виды и ключевые особенности этих колебаний. Выделяются три основных типа: осевые, поперечные и крутильные вибрации.

Осевые вибрационные колебания наиболее часто проявляются в момент перехода между пропластками различных горных пород, обладающих различными свойствами и характеристиками. Также возможно возникновение осевых колебаний при прохождении участков, состоящих из твердых пород. Направление таких колебаний совпадает с осью скважины. С одной стороны возникающая в результате такого движения дополнительная энергия позволяет более эффективно разрушать породу, но с другой – она разрушительно действует не только на долото, но и всю компоновку низа колонны бурильных труб. В результате повышается износ породоразрушающего инструмента, возникает риск деформации опор и нарушения герметичности, создает риски для подшипниковых узлов забойных двигателей и устройств телеметрии.

Крутильная вибрация – наиболее часто наблюдаемое осложнение при бурении с использованием PDC-долот. Повышает риски возникновения такого эффекта неправильный выбор режима бурения (например, при существенной осевой нагрузке и небольшой скорости вращения долото за один оборот чрезмерно погружается в разрушаемую породу), а также выбор агрессивного долота с целью ускорения прохождения интервала, что нарушает баланс жесткости буровой колонны и возникающего реактивного момента. Кроме того, повышение вероятности возникновения крутильной вибрации связано с увеличением глубины проведения работ и зенитного угла ствола, а также с прохождением участков, сложенных из твердых пород.

Проявление данного типа колебаний заключается в неравномерности вращения колонны, которое происходит с резкими замедлениями и ускорениями. Временами долото приостанавливается, что провоцирует увеличение крутящего момента и скручивание колонны бурильных труб, а после – проскальзывает со значительным ускорением. В результате этого повышается усталостный износ резьбовых соединений, возникает риск слома вооружения породоразрушающего инструмента, а также его отсоединения и падения в скважину.

Поперечные вибрации, как очевидно из названия, представляют собой колебания в поперечной плоскости, перпендикулярно оси ствола скважины. Согласно некоторым исследованиям примерно три четверти всех аварийных ситуаций возникают именно в результате значительных знакопеременных напряжений изгиба. Подобные колебания провоцируют такие явления как завихрение долота и завихрение колонны бурильных труб, которые представляют собой смещение точки, вкруг которой происходит вращение инструмента, от геометрического центра устройства. Направление вращения не только может быть любым, но также может постоянно изменяться.