Определение допустимых значений кривизны ствола скважины по условиям прочности обсадных и бурильных труб

В интервалах искривлений ствола обсадные и бурильные колонны подвергаются деформированию и напряжению изгиба. Для безаварийной эксплуатации колонн интенсивность искривления ствола не должна приводить к возникновению напряжений, превышающих предел текучести их материала.

Таблица 8.12

Допустимые значения минимальных радиусов кривизны и максимальных

значений кривизны для обсадных труб

Наружный диаметр труб, мм

Допустимый минимальный радиус кривизны скважины, м

Допустимая предельная интенсивность искривления ствола, град/м

146

69,5

0,82

127

60,3

0,95

108

51,4

1,1

89

42,3

1,35

73

34,7

1,65

57

27,1

2,1

Для обсадных труб, учитывая статический характер работы обсадных колонн, допустимый радиус кривизны может рассчитываться по зависимости

П:

(8.32)

где Е - модуль упругости материала, из которого изготовлены трубы, МПа; ^„-наружный диаметр труб, м;

ат— предел текучести материала, из которого изготовлены трубы, МПа.

Для стальных труб (Е = 2,1 • 105 МПа и ат = 220 МПа) в табл. 8.12. приведены результаты расчетов радиуса и кривизны для обсадных колонн.

Для бурильных колонн, особенно работающих в условиях высокочастотного бурения (частота вращения 700-1000 и более мин'1), расчет допустимых значений минимального радиуса кривизны и предельной интенсивности искривления следует производить с учетом предельных значений выносливости материала, из которого изготовлены трубы, на изгиб при симметричном цикле деформирования. Как известно, в этом случае предел выносливости на изгиб а.і составляет 0,45 предела прочности материала - ов. Для стальных бурильных колонн (сталь 36Г2С) предел прочности на растяжение 600-700 МПа, поэтому о.] = 200-300 МПа [7].

С учетом запаса прочности в 1,3 напряжения изгиба в колонне бурильных труб не должны превышать предела выносливости материала в соответствии со следующим условием прочности [5]: где Е - модуль упругости материала, МПа;

  • 1о~ осевой момент инерции поперечного сечения трубы по резьбе, м4;
  • 1?0-осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы по резьбе, м3; /п- предельное значение интенсивности искривления, рад/м;

Неравенство (8.32) представим в виде уравнения для расчета предельного (по условиям эксплуатации бурильной колонны) значения интенсивности искривления скважины:

(8.33)

Различные участки бурильной колонны передают осевые растягивающие (верхний участок) и сжимающие (нижний участок) нагрузки. Напряжение сжатия или растяжения рассчитывают как соотношение осевой нагрузки Рос, действующей в сечении трубы на определенной глубине площади поперечного сечения трубы, и площади этого поперечного сечения - Е: аос = Рос / Р. С учетом напряжений сжатия или растяжения, в соответствии с работой [5], формула для определения предельного (по условиям эксплуатации бурильной колонны) значения интенсивности искривления скважины будет выглядеть следующим образом:

/„ =0,77 57 3 [Град/м]. (8.34)

К Е10

В формуле (8.34) осевой момент инерции труб определяется по формуле

(8.13), сопротивления У0 можно рассчитать по формуле

(8.35)

где с1к- внутренний диаметр трубы, м.

Для определения знака осевых напряжений (сжатие или растяжение) необходимо определить положение нулевого сечения колонны бурильных труб:

г.

0-0

ч 1-г—;

I Ум

(8.36)

где q - вес 1 м трубы с учетом соединительных элементов, даН;

Уж 9 Ум ~ удельный вес соответственно промывочной жидкости и материала труб, даН/ м3.

Таким образом, интервал колонны выше нулевого сечения работает на растяжение, ниже - на сжатие. Максимальные напряжения растяжения в колонне будут у устья скважины, а сжатия - у забоя.

Анализ формулы (8.34) показывает, что наиболее жесткие требования к кривизне ствола скважины предъявляются для участков колонны работающих на растяжение. Это значит, что при проектировании скважин и их бурении, недопустимы значительные искривления скважин на верхних интервалах.

Пример. Определить допустимую кривизну ствола скважины из условия прочности колонны бурильных труб ССК-59 в зоне нулевого сечения, у забоя при осевой нагрузке 15 000 Ни на расстоянии от забоя 700 м.

Параметры труб ССК-59: вес 1 метра трубы - 60 Н, изготовлена из стали марки 38ХНМ, наружный диаметр трубы с!И = 55 лш внутренний с!в=45,4 мм, высота профиля резьбы 0,9 мм, внутренний диаметр трубы вместе резьбы с1р = 54,1 мм.

Осевой момент инерции по резьбе

/0 = 0,05f d4 - d4) = 0,05f0,0554 - 0,04634) = 2,3 • 10 м4; осевой момент инерции по трубе - 0,05(0,055"- 0,0454") = 2,45 • 10'7 м4.

осевой момент сопротивления по резьбе (формула 8.35):

П1 0,0554 -0,05414 ,_6-3

пп = 0,1-= 1,06 • 10 м

0 0,055

площадь сечения трубы по резьбе

F =

nfdl-d2) 3,14(0,0552 -0,463:)

= 6,9 10"4л/

Характеристика стали 38ХНМ: модуль упругости Е=2,1 -К)11 Па, предел текучести от = 540 МПа, предел прочности ав = 755 МПа, предел выносливости при симметричном цикле о.]= 0,45 ов = 340 МПа, для практических расчетов принимаем а. = 300 МПа.

Определим положение нулевого сечения колонны бурильных труб при бурении (формула 8.35), учитывая, что удельный вес промывочной жидкости (воды) 1 гр/ см3 , а стали 7,8 гр/см3.

7

^о-о

  • 15000
  • ?=г = 286л/.
  • 1-
  • 7,8

Допустимая кривизна ствола скважины в зоне нулевого сечения (286 м от забоя) будет равна (формула 8.33):

  • 30 • 107 Па • 1,06 • 10“6 ...
  • 1п =
  • 1,3 - 2,1 -1011 *2,3*10 Нормальные напряжения от действия осевой нагрузки составят
  • 51,3 = 0,3 град/ м.

аос =

ос

  • 15000
  • — = 2,17 Ю1 Па.

Р 6,9 10

Допустимую кривизну скважины у забоя определим по формуле (8.34):

. 0,77 ? 30 • 107 Яс/ • (540 • 106 -1,3 • 2,17 • 107)

/п =---п----—57,3 = 0,27 град/м.

" 540 -10 (2,1-10 -2,3-10 /1,06-10 )

Допустимую кривизну ствола скважины на расстоянии 700 м от забоя (зона растяжения колонны) определим с учетом нормальных напряжений растяжения, которые при погружении колонны в промывочную жидкость будут равны:

о .зИг./г.Ж.боИ/г^оо. ,Яа

ос Г 6,9-10 4

Допустимая кривизна ствола в интервале работы растянутого участка колонны будет равна:

  • 1п =
  • 0,77 -30-107 (540 -10'’ —1,3 • 5,3 • 107)
  • -8
  • 540 • 10°(2,1 • 10" • 2,92 • 10" /1,06'10")
  • 57,3 = 0,25 град/м .

Таким образом, минимальная допустимая величина кривизны ствола, по условиям работы бурильной колонны ССК, получена для растянутого участка. С увеличением глубины скважины будут нарастать напряжения растяжения и допустимое значение интенсивности искривления - уменьшаться.

> Контрольные вопросы и задания к гл. 8

  • 1. Назовите основные элементы конструкции бурильных груб и типы бурильных колонн.
  • 2. Назовите основные элементы конструкции соединений бурильных труб.
  • 3. Дайте характеристику бурильных труб ССК и КССК.
  • 4. Назовите основные элементы конструкции колонковых наборов ССК.
  • 5. Каковы типоразмеры и основные конструкции колонковых наборов компании Atlas Copco?
  • 6. Дайте характеристику буровой системы GEOBOR S.
  • 7. Назовите основные вспомогательные элементы бурильной колонны.
  • 8. Назовите основные положения механики бурильных колонн при их работе в скважинах - вертикальной, наклонной, горизонтальной.
  • 9. Назовите виды колебаний бурильных колонн и оцените их влияние на процесс углубления скважины.
  • 10. Каковы основные положения расчета бурильной колонны на прочность?
  • 11. Каковы основные положения расчета допустимых значений интенсивности искривления скважины по условиям прочности бурильных и обсадных труб?
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >