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

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 Р_ос, действующей в сечении трубы на определенной глубине площади поперечного сечения трубы, и площади этого поперечного сечения - Е: а_ос = Р_ос / 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 с1_к- 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 с1_р = 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 _1Л,_1Л__6-3

п_п = 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 о_т = 540 МПа, предел прочности а_в = 755 МПа, предел выносливости при симметричном цикле о.]= 0,45 о_в = 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?