Меню

Напряжение растяжения бурильных труб

Расчет бурильной колонны при геологоразведочном бурении

При расчете бурильной колонны на прочность ее условно делят на две зоны ( рис.9.3 ): верхнюю — растянутую, сечение I — I, в которой колонна рассчитывается на статическую прочность, и нижнюю — сжатую, сечение II — II, в которую входит и область нулевого сечения — сечение 0-0. Именно нижней частью, обусловлены поломки бурильных труб, носящие усталостный характер. Исходя из этого, нижнюю часть колонны бурильных труб рассчитывают на выносливость. Расчет бурильных колонн, работающих в сильно искривленных или горизонтальных скважинах, производится на выносливость.

Нормальные напряжения от растяжения при бурении скважины обусловлены массой бурильной колонны и достигают максимальных мипсний на верхнем ее конце. Здесь же своего максимума достигают шинельные напряжения, вызванные крутящим моментом вращения машины. Запас прочности рассчитывают из условия одновременного действия наибольших напряжений растяжения и кручения по третьей теории прочности

где n c — запас прочности по статическим нагрузкам (n c =1,5-1,4); σ т — предел текучести материала тела бурильной трубы, П; σ — нормальное напряжение (растяжения, сжатия или изгиба), МПа; τ — касательные напряжения, Мпа.

Рис.9.3. Эпюра осевых сил и расчётные сечения колонны бурильных труб (+Q – растягивающие усилия; — Q – сжимающие усилия)

Напряжение растяжения σ р (в Мпа) у устья скважины (в верхней бурильной трубе) определяется из выражения

(9.22)

где Q кр — нагрузка на крюке при подъеме колонны с вращением или при бурении (Q кр -Р при ) при заданной осевой нагрузке на породоразрушающий инструмент — Р при ; S — площадь поперечного сечения бурильной трубы, м2; k пр — коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление при подъеме, зависящий от интенсивности искривления и геологотехнических условий бурения, выбираемый в диапазоне от 1,2 до 1,8; при бурении скважин в крепких устойчивых породах с малой им интенсивностью искривления и при больших радиальных зазорах k пр =1,2, а при бурении в мягких породах при большой толщине глинистой корки на стенках скважины k пр = 1,6; — коэффициент, учитывающий увеличение веса колонны в зависимости от вида соединения; для муфтово-замкового соединения — k с.т =1,1, для ниппельного k с.т =1,05; q — вес м трубы, Н/м; L — длина колонны (глубина скважины), м; θ ср -Средний зенитный угол:

(9.23)

(θ 0 — начальный зенитный угол; J 0 — средняя интенсивность искривления, град/м); μ — коэффициент трения бурильных труб о стенки скважины, при практических расчетах θ=0,3; ρ ж , ρ м — плотности, соответственнo, промывочной жидкости и металла труб.
Касательные напряжения τ (в МПа) от действия крутящего момента находят из выражения

(9.24)

где М k — крутящий момент в верхнем сечении колонны, Н·м (наибольшее значение имеет у устья скважины, а по направлению к забою снижается за счёт сопротивления трения колонны о жидкость и стеки скважины); Wk — полярный момент сопротивления площади поперечного сечения трубы при кручений, м3

где D и d — наружный и внутренний диаметры бурильной трубы, м.

где N — мощность, затрачиваемая на бурение в рассматриваемом сечении, Вт; ω — частота вращения бурильной колонны, c -1 ,

где n — частота вращения бурильной колонны, мин-1.

Полная мощность в верхнем сечении колонны N в-в при геологоразведочном бурении состоит из мощности, затрачиваемой на холостое вращение колонны N х.в , мощности, затрачиваемой на разрушение горной породы на забое скважины N заб , и мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений, возникающих при трении гребней полуволны вращающейся колонны о стенки скважины при передаче осевой нагрузки N доп , т.е. по формуле

N I-I =N x.в. +N заб +N доп (9.28)

В нулевом сечении при бурении, где осевая сила отсутствует Р при =0

N 0-0 =N х.в(0-0) +N заб +N доп. (9.29)

N х.в в этом случае находят при значении L=Z 0-0 . Здесь Z 0-0 (в м) координата нулевого сечения, отсчитываемая от точки забоя, определяемая из выражения

(9.30)

Для нижнего сечения, т.е. у забоя скважины

где 1,5 — коэффициент запаса. При роторном бурении

Расчетные формулы для определения N х.в , N заб и N доп и рассмотрены в разделе 8 настоящего учебного пособия.
Напряжения растяжения возникают в бурильной колонне лишь при условии, когда скважина достигает такой глубины, при которой необходимая осевая нагрузка превышает массу колонны при данной глубине.

В случае плоско изогнутой колонны напряжение изгиба определяется зависимостью:

(9.33)

гдс Е — модуль продольной упругости, для стали Е=2·10 11 Па; для алюминиевых сплавов Е=0,7·1011Па; J — сплавов экваториальный момент инерции площади, поперечного сечения тела трубы, м4

J=π/64(D 4 -d 4 )≈0,05(D 4 -d 4 ) (9.34)

ƒ — стрела прогиба бурильной колонны, м

(D c — диаметр скважины); l п — длина полуволны прогиба в м, как в сжатой, так и в растянутой частях бурильной колонны приближенно вычисляется по формуле Г.М. Саркисова

(9.36)

z — координата рассматриваемого сечения бурильной колонны, м, отсчитываемая от нулевого (нейтрального) сечения (координата z считается положительной в растянутой части колонны, а для сжатой части — отрицательной: для верхнего сечения координата z=z 0-0 , а для нулевого сечения координата z=0); W — осевой момент сопротивления изгибу в расчетном сечении

Длину полуволны для искривленной скважины можно рассчитать также из выражения

(9.38)

Напряжения изгиба (в Па) в резьбовом соединении бурильных труб

σ из =π 2 EJƒ 1 =/l 2 п W 1 (9.39)

где ƒ 1 =(D c -d м )/2 — стрела прогиба, м; d м — наружный диаметр муфты или ниппеля, м; W 1 — осевой момент сопротивления в опасном сечении, м3

W 1 =π(D 4 1 -d 4 1 )/32D 1 (9.40)

где D 1 и d 1 — размеры опасного сечения по наружному и внутреннему диаметрам трубы или ниппеля в резьбовой части.

Расчет бурильной колонны для верхнего ее сечения сводится к статическому расчету на сложное напряженное состояние по третьей теории прочности:

σ Σ =√(σ р +σ из ) 2 +4τ 2 , (9.41)

где σ Σ — суммарное напряжение в верхнем сечении колонны, Па.

Выбранная бурильная колонна проверяется на прочность.

С этой целью вычисляется коэффициент запаса прочности:

где σ т — предел текучести материала труб, Па ( см.табл.9.4 ).

При проверке на прочность резьбовой части трубы в месте соединения с замком, муфтовой или ниппелем

где K k — коэффициент концентрации напряжений, который учитывается при расчете на прочность резьбовой части колонны; для верхнего сечения К k =1,5.

Расчет бурильной колонны для нулевого сечения ведется на выносливость, так как в нем возможно возникновение знакопеременных напряжений и динамических нагрузок в результате действия инерционных сил.

Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям:

(9.44)

где К д =1,5 — коэффициент, учитывающий ударный характер нагрузок; [σ -1 ] т.р — предел выносливости трубы в глинистом растворе ( табл.9.8 ).

Таблица 9.8 Предел выносливости труб

Предел выносливости
σ -1 в воздухе, МПа

Источник

Расчет бурильных колонн. Усилия и напряжения в теле бурильных труб под действием собственного веса БК.

Гидравлическая растягивающая сила от перепада давления на долоте и забойном двигателе. Крутящий момент и касательные напряжения в теле бурильных труб.

(Н) – гидравлическая растягивающая сила

перепад давления по длине колонны

площадь сечения проточного канала труб

(Мпа) – напряжение растяжения

S – площадь поперечного сечения тела бурильной трубы

Крутящий момент и касательные напряжения в колонне обусловлены реактивным моментом забойного двигателя или при вращении колонны ротором.
– при бурении роторным способом

– вращение долота

;

– момент на вращение ненагруженного долота

(Н∙м) – вращение БК

с – эмпирический коэффициент;

– плотность жидкости;

– длина бурильной колонны;

– наружный диаметр труб;

n – частота вращения колонны

Крутящий момент вызывает касательные напряжения τ, которые определяются по формуле

где – полярный момент сопротивления сечения, который определяется по формуле:

Результирующее (эквивалентное) напряжение в теле бурильных труб при роторном бурении и при бурении с ЗД. Наружное и внутреннее избыточные давления, действующие на бурильные трубы при бурении.

Из выражения (6.8) видно, что наибольшее внутреннее избыточное давление имеет место при z = 0, т.е. на устье. Оно обусловливает окружные нормальные напряжения σ окр, стремящиеся разорвать трубы. Их величину можно приближенно найти по формуле

где Dв, и t — внутренний диаметр и толщина стенки трубы;

Кр- коэффициент разностенности труб (равный по стандарту 0,875).

Внутреннее избыточное давление в колонне Рвн может достигать больших величин (15 — 20 МПа и более) при глубоком бурении с гидравлическими забойными двигателями, восстановлении циркуляции (особенно при прихватах с потерей циркуляции), опрессовке пластов, выправлении профильных перекрывателей и т.д.

Иногда наружное давление оказывается больше внутреннего, и колонна подвергается наружному избыточному давлению. Это может иметь место, например, после продавки цементного раствора за обсадную колонну (и при снятии устьевого давления), при вызове притока флюида в продуктив-ного пласта через спущенную в скважину бурильную колонну с испытателем пластов на конце и др. Избыточное наружное давление Рвн может быть также вызвано и разностью в плотностях жидкостей, находящихся за трубами и в них, и разностью уровней этих жидкостей, или того и другого одновременно

где һт и һк — высота столбов жидкостей в трубах и за ними соответственно.

Если Рнн z > Ркр, Ркр — критическое (сминающее) давление, то может произойти смятие колонны. Величина Р., может быть рассчитана по формуле Саркисова-Еременко.

Источник

Напряжения, возникающие в бурильной колонне

Для расчета бурильной колонны на прочность необходимо знать нагрузки и возникающие в результате их действия напряжения в любом сечении бурильной колонны. Однако определить напряжения с достаточной точностью довольно трудно, так как бурильная колонна даже одного диаметра не является стержнем постоянного сечения, так как на трубах имеются высаженные концы, бурильные замки и переводники. Осложняется расчет напряжений необходимостью учета гидростатических и гидродинамических сил, сил трения, возникающих при осевом перемещении бурильной колонны и при ее вращении в скважине, и других трудно учитываемых сил. Поэтому рассчитывают напряжения приближенно, а неучтенные силы компенсируют коэффициентом запаса прочности, устанавливаемым на основании опыта эксплуатации бурильных колонн. Можно рассчитывать напряжения, принимая, что бурильная, колонна работает в воздушной среде.

Напряжение растяжения sрас (Па), имеющее максимальное значение при подвешенном состоянии бурильной колонны и при циркуляции промывочной жидкости, определяется по формуле (при расхаживании БК особенно в искривленной скважине силы взаимодействия труб со станками скважины могут оказаться значительными, поэтому sрас в этом случае следует вычислять с учетом дополнительной осевой силы определяемой опытным путем)

, (6.1)

где mУБТ — масса 1 м УБТ кг/м; lУБТ — длина УБТ м; m — масса 1 м бурильных труб кг/м; lбт — длина бурильных труб, м; mд, mзд — массы долота и забойного двигателя кг; g — ускорение свободного падения м/с 2 ; dв dн — внутренний и наружный диаметры бурильных труб, м; DРзд, DРд — перепады давления в забойном двигателе и долоте, Па.

Во время бурения, когда нагрузка на долото Рд создается весом сжатой части бурильной колонны напряжение растяжения sрас (Па) в растянутой части определяется по формуле

, (6.2)

где lУБТс — длина сжатой части УБТ, м.

В нижней сжатой части бурильной колонны напряжение сжатия sсж (Па) приближенно определяется по формуле

, (6.3)

где dУБТн, dУБТв — наружный и внутренний диаметры УБТ, м.

Потерявшая устойчивость от действия сжимающих сил бурильная колонна испытывает также изгибающие напряжения sиз, которые будучи максимальными у долота, постепенно уменьшаются в направлении к нижнему участку растянутой части бурильной колонны.

Бурильная колонна испытывает касательные напряжения t от действия реактивного момента забойного двигателя постепенно уменьшающиеся в направлении к вертлюгу и достигающие его только при коротких бурильных колоннах.

Расчеты показывают, что sиз в связи с ограничением изгиба колонны стенкой скважины не достигают опасных значении не велики и напряжения sсж и t. Поэтому при бурении с забойными двигателями бурильную колонну допустимо рассчитывать с учетом действия на нее только напряжений растяжения.

При роторном бурении кроме напряжений растяжения sрас и сжатия sсж возникают в бурильной колонне касательные напряжения t в результате передачи ею крутящего момента от ротора к долоту.

Возникают также изгибающие напряжения sиз вследствие действия на колонну осевых и центробежных сил.

Касательные напряжения t (Па) изменяющиеся по длине колонны от максимума в ее верхнем сечении до минимума у до лота определяют по формуле

, (6.4)

где Мкр — крутящий момент, передаваемый бурильной колонной, Н×м; Wp — момент сопротивления поперечного сечения труб при кручении, м 3

, (6.5)

где N – мощность, передаваемая бурильной колонной, Вт; w — угловая скорость бурильной колонны с -1 (w=np/30. n — частота вращения бурильной колонны об/мин).

. (6.6)

Крутящий момент имеет наибольшее значение в верхнем сечении БК, где на преодоление сил сопротивления вращению БК затрачивается наибольшая мощность

, (6.7)

где Nl и Nд — мощности, затрачиваемые соответственно на вращение бурильной колонны и разрушение породы.

Для вычисления N и Nд зависящих от многих факторов предложен ряд эмпирических формул дающих весьма приближенные результаты. Поэтому для практических расчетов за величину N следует принимать мощность, передаваемую ротору для вращения бурильной колонны.

Изгибающие напряжения определяются в основном центробежными силами при незначительном влиянии на их значение веса бурильной колонны. Влияние же крутящего момента на величину изгибающих напряжений незначительно и сводится главным образом к приданию бурильной колонне спиральной формы.

Если принять, что бурильная колонна деформирована в виде пространственной спирали, то изгибающие напряжения можно определить по формуле

, (6.8)

при этом ,

,

где Р — вес колонны, Н; R — кажущийся радиус скважины, м; Dc, dн — диаметр скважины и наружный диаметр бурильной трубы (или УБТ), м; W — момент сопротивления поперечного сечения трубы при изгибе м 3 .

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Читайте также:  Какие бывают гофрированные нержавеющие трубы
Adblock
detector