Выступление К.А. Каматова было посвящено методике предотвращения крутильных (торсионных) колебаний бурильной колонны путем подбора оптимального с этой точки зрения сочетания нагрузки на долото и частоты вращения ротора для различных глубин спуска компоновки низа бурильной колонны (КНБК) (рис. 5.1).

Автор обращает внимание на то, что в последнее время одним из основных препятствий к достижению максимальных механической скорости проходки (МСП) и межремонтного периода работы забойного оборудования стали именно крутильные колебания бурильной колонны, распространяющиеся вверх по колонне от долота при возникновении «прихватов-проскальзываний» (также, «подклинки-провороты, «stickslip»). В свою очередь, выход этой проблемы на передний план автор связывает с тем, что изначально предназначавшиеся для бурения с низкой нагрузкой мягких и средних по твердости пород долота PDC в настоящее время все активнее применяются также и при бурении пород высокой твердости и перемежающихся слоев пород с разными твердостью и другими свойствами. Поскольку режущие элементы (резцы) долот PDC в отличие от вооружения шарошечных долот фиксируются статично относительно бурильной колонны, возникающие вследствие высокочастотных изменений глубины резания и крутящего момента на долоте при подклинках крутильные колебания никак не компенсируются. Согласно исследованиям, на которые ссылается автор, крутильные колебания элементов КНБК становятся причиной боковых колебаний и даже биения долота о забой, что, конечно же, негативно отражается на работе и сроке службы элементов КНБК.

В постановочной части задачи публикации механизмы возникновения и распространения вибраций, а также пути их предотвращения рассматриваются применительно к бурильным колоннам с КНБК четырех наиболее распространенных типов: 1) наиболее простой по конструкции, неориентируемой роторной КНБК; 2) ориентируемой роторной КНБК с роторной управляемой системой (РУС); 3) ориентируемой КНБК с винтовым забойным двигателем (ВЗД); 4) ориентируемой роторной КНБК с РУС и дополнительным модульным ВЗД. Параметры режима бурения для каждой из этих колонн автор рассматривал в трех сечениях: А-А (на забое скважины); B-B (нижняя граница КНБК); и C-C (поверхность / верхняя граница колонны бурильных труб) (рис. 5.2).

Путем дальнейших приведенных в работе рассуждений, автор пришел к выводу, что с точки зрения величин нагрузок и моментов, определяющих динамические процессы в колонне бурильных труб и КНБК рассматриваемые конструкции бурильных колонн идентичны. В этой связи дальнейшие расчеты для упрощения задачи автор проводил применительно к наиболее простой, неориентируемой бурильной колонне.

Как указывает автор, ряд теоретических и лабораторных исследований крутильных колебаний бурильных колонн говорит о том, что основной причиной их возникновения становится «падающая» моментная характеристика долота при увеличении частоты его вращения. При этом при страгивании долота из состояния покоя (или в случае заклинки) под нагрузкой на забое крутящий момент принимает набольшее значение, после чего уменьшается по мере роста частоты вращения и практически стабилизируется в области некоторого минимального значения, на которое дальнейшее увеличение частоты вращения не оказывает влияния. Далее происходит очередная заклинка, в результате которой при отсутствии вращения момент на долоте принимает значения от минимального до максимального (момент страгивания). Одновременно с этим, как подчеркивает автор, исследования указывают на пропорциональность величин момента на долоте и нагрузки.

Соответственно, практическая задача автора в рамках рассматриваемой работы состояла в определении вычисляемой на основе промысловых данных зависимости между параметрами бурения и предельными значениями нагрузки на долото (максимум) и скорости вращения долота (минимум), при которых бурильная колонна переходит в «неустойчивый режим работы» с возникновением циклических «прихватов-проскальзываний» и крутильных колебаний. При достаточно высоких частотах вращения задача, фактически, сводилась к определению предельных нагрузок на долото. Полученные зависимости учитывают глубину положения долота, конструкцию бурильной колонны и другие факторы. Пример диаграммы границ зон различной динамики долота для глубины (Н) 4000 м и длины КНБК (L) 400 м показаны на рис. 5.3.Как заключает автор, для предотвращения торсионных колебаний бурильной колонны для каждой глубины следует выбирать сочетание нагрузки на долото и частоты вращения ротора, определяющее точку, находящуюся в зоне равномерного (устойчивого) вращения бурильной колонны.