Расчет бурильной колонны на прочность
Задачей расчета является составление рациональной компоновки бурильной колонны, способной противостоять всем видам нагрузок, возникающих в бурильной колонне при выполнении любых видов работ в скважине в процессе ее проводки. Для этого определяются результирующие напряжения σ рез в наиболее нагруженных сечениях колонны.
Расчет производится обычно применительно к моменту окончания бурения скважины или же к моменту окончания бурения некоторых харак-терных интервалов, если есть основания полагать, что уровень напряжен-ного состояния бурильной колонны в них может быть выше, чем в конце бурения скважины.
При бурении забойными двигателями бурильная колонна рассчитыва-ется на сопротивление:
– суммарным ( с учетом напряжений изгиба) осевым растягивающим и касательным напряжениям;
– внутреннему и наружному избыточным давлениям;
– смятию в клиновых захватах.
При роторном бурении или бурении ЗД с постоянным вращением труб бурильная колонна рассчитывается также на усталостную прочность (выносливость).
Расчет бурильной колонны на статическую прочность
Расчет начинается с определения осевых растягивающих нагрузок на бурильные трубы по приведенным выше формулам, в зависимости от про-изводимых в скважине работ.
Предварительно составленная бурильная колонна помещается в сква-жину, и выделяются характерные участки в соответствии с профилем скважины и КБК – так, чтобы на каждом характерном участке располага-лись трубы одинакового диаметра, толщины стенки и материала. К концам участков труб прикладываются осевые растягивающие силы. Осевая сила в конце предыдущего участка (считая сверху вниз) является в то же время осевой нагрузкой в начале следующего участка колонны. Переходные се-чения в целях удобства обозначаются цифрами. Определение нагрузок на-чинается с сечения, где осевые силы отсутствуют . Применительно к СПО таковым является нижний конец КНБК ( долото), а к процессу бурения – σ-нейтральное сечение(где осевые силы отсутствуют).Далее последова-тельно определяются осевые растягивающие силы в начале каждого харак-терного участка F н по формулам в зависимости от его конфигурации вплоть до устья скважины. Уточняются базовые и расчетные коэффициен-ты трения в зависимости от вида выполняемых в скважине работ.
|
|
|
Применительно к процессу подъема колонны первым характерным участком будет ЗД либо основная ступень УБТ. Осевые усилия в начале прямолинейного участка вычисляются по (6.54), а участка снижения зе-нитного угла – по (6.38).
На участке набора зенитного угла осевое усилие вычисляется:
|
|
|
– по (6.30), когда колонна прижата к верхней стенке;
– по (6.25), если колонна прижата к нижней стенке (что маловероятно). Поэтому предварительно проверяется положение бурильных труб на
участке набора зенитного угла по (6.33).
При подъеме колонны с вращением вычисляются также крутящие мо-менты:
– на прямолинейном участке по (6.101);
– на участке снижения зенитного угла по (6.100);
– на участке набора зенитного угла по (6.109), если трубы прижаты к верхней стенке, или по (6.98), когда трубы прижаты к нижней стенке (что маловероятно).
Значения интенсивности распределенных нагрузок, начальных и ко-нечных зенитных углов, а также углов охвата вычисляются по вышеприве-денным формулам.
Осевые напряжения растяжения σ р в самом нагруженном сечении от суммарных растягивающих нагрузок Fр от собственного веса колонны с учетом плавучести, сил трения и гидравлической нагрузки Fг вычисля-ются по формуле плавучести, сил трения и гидравлической нагрузки F г вычисляются по формуле
, (6.131)
где 
- площадь наиболее нагруженного поперечного сечения труб.
При одноразмерной колонне Fр и Fг представляют собой осевое усилие и гидравлическую нагрузку на устье или в начале искривления скважины.
|
|
|
При многоразмерной колонне, составленной из труб из одного и того же материала , расчет на прочность нижерасположенных ступеней произ-водится лишь в том случае, если их площадь поперечного сечения меньше, чем у труб, расположенных у устья.
Если бурильная колонна составлена из труб из различных материалов, расчет на прочность производитсятакже в переходных сечениях.
Вычисляются напряжения изгиба в переходном сечении от вертикального участка к участку набора зенитного угла.
, (6.132)
где 
– осевой момент сопротивления труб на изгиб, равный
, (6.133)
где d – внутренний диаметр труб.
Изгибающий момент определяется по (6.90).
Вычисляются нормальные напряжения как сумма растягивающих и изгибающих напряжений
(6.134)
Определяются касательные напряжения 
от крутящего момента Мкр
, (6.135)
где Wп – полярный момент сопротивления, определяется по формуле
|
|
|
. (6.136)
Определяется по (6.92) момент на холостое вращение долота Мкр = Мх .
Вычисляются результирующие напряжения. В общем случае, когда в сечениях труб возникают растягивающие 
, изгибающие 
и касательные 
напряжения, результирующие напряжения 
определяются по формуле
(6.137)
При приближенных расчетах допускается (по согласованию с руководителем проектирования) определять 
по приближенным эмпирическим формулам:
а) при бурении вертикальных скважин
(6.138)
б) при бурении обычных наклонных скважин
; (6.139)
Вычисляется коэффициент запаса прочности по результирующим напряжениям 
по формуле
, (6.140)
где 
- предел текучести материала труб.
Найденное значение 
сопоставляют с нормативным [k], значения которого устанавливаются отраслевыми РД. При статическом нагружении бурильной колонны осевыми растягивающими силами, изгибающим и крутящим моментами должен быть не меньше нормативных, значения которых приведены в табл. 6.19. Если выполняется условие
, (6.141)
то предварительно составленная компоновка колонны остается без изменений.
Таблица 6.19 Нормативные коэффициенты запаса прочности для бурильных труб
| Строительство скважин | Бурение | |
| забойными | роторное | |
| двигателями | ||
| На суше и на море со стационарных оснований | 1,40 | 1,50 |
| На море с плавучих средств | 1,45 | 1,55 |
Если условие (6.141) не выполняется, то трубы заменяются на более прочные. Более высокая прочность труб достигается либо за счет увеличе-ния диаметра ( если это допустимо) или толщины стенки труб, или же за счет использования труб из материала более высокой группы прочности.
Коэффициент запаса прочности труб при спуске частей обсадных ко-лонн на бурильных трубах принимается равным таковому при бурении ЗД.
Применительно к процессам проработки, расширки расчеты ведутся по формулам – как для процесса бурения.
В процессе бурения основная часть КНБК должна находиться в сжатом состоянии, а верхняя часть – в растянутом. Поэтому выясняется положение σ-нейтрального сечения и определяется длина сжатых и растянутых участ-ков УБТ основной и верхней переходной ступеней.
Если σ-нейтральное сечение расположено в УБТ основной ступени, то верхняя переходная ступень и верхняя часть УБТ основной ступени нахо-дятся в растянутом состоянии. Длина последней будет равна
. (6.142)
Когда σ-нейтральное сечение расположено в УБТ переходной ступе-ни, то УБТ основной ступени будет находиться целиком в сжатом состоя-нии. Длина сжатой части верхней переходной ступени определяется по формуле
|
| |||||
|
| (6.143) | ||||
| а длина ее растянутой части L02 р определится как разность | |||||
| L02 р = L02ф − L02сж , | (6.144) | ||||
| где L02ф – фактическая длина ступени УБТ переходной ступени. | |||||
При использовании комбинированного способа бурения и при буре-нии ЗД с постоянным вращением бурильной колонны запас статической прочности принимается как для роторного способа бурения.
Напряжения σ ви от внутреннего избыточного давления Р ви для труб с любой толщиной стенки следует вычислять по формуле Р. Х. Санникова
|
| (6.145) | |||||
|
|
|
| ||||
|
| ||||||
|
|
|
|
| |||
|
|
| |||||
взамен формулы Барлоу, справедливой только для тонкостенных труб.
В формуле (6.145) приняты обозначения: d и D – соответственно вну-тренний и наружный диаметры труб; k р – коэффициент разностенности труб, равный 0,875.
Для одноразмерной колонны σ ви вычисляется только в первой сверху трубе.
При многоразмерной колонне, участки которых отличаются по диа-метру, толщине стенки, материалу или по одному из этих параметров, рас-чет на Р ви производится также в переходных сечениях.
Коэффициент запаса прочности k ви на Рви определяется по формуле
, (6.146)
который должен быть не менее 1,15.
Коэффициент запаса прочности k ни на наружное избыточное давление Рнивычисляется по формуле
, (6.147)
где Ркр – критическое давление для трубы.
Найденный 
сравнивается с нормативным, который должен быть не менее 1,15.
Вычисляются напряжения, обусловленные клиновыми захватами.
Клиновые захваты, повсеместно используемые при СПО, вызывают повышенное напряжение в теле трубы. В трубах при захвате их клинъями даже при безударной посадке возникают сложные сминающие напряжения, обусловленные радиальными и окружными нормальными напряжениями, что может привести к их смятию при недопустимо большой нагрузке на трубы.
Напряжения в теле трубы σкл, обусловленные клиновыми захватами, могут быть найдены по формуле
, (6.148)
где S1 – площадь сечения трубы, зажатой в клинъях, по телу;
Скл – коэффициент охвата трубы клиньями;
d ср – средний диаметр трубы;
– длина плашек клина;
– осевое усилие у устья;
и f – угол уклона клина и угол трения.
В общем случае Скл вычисляют по формуле 
;
– угол обхвата трубы плашками одного клина;
– число клиньев.
Для всех применяемых клиновых захватов 0,7 < Скл < 1,0; 
= 9027’15”.
Обычно принимается tg 
= 0.22; tg (j кл + f ) = 0.6.
Коэффициент запаса прочности вычисляется по формуле
, (6.149)
Нормативный коэффициент запаса прочности принимается равным 1.10 для сталей s т £ 638 МПа и 1,15 для s т ³ 638 МПа.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1424; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!