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 нс должна приводить к возникновению напряжений, превышающих предел текучести их материала.

Для обсадных труб, учитывая статический характер работы обсадных колонн, допустимый радиус кривизны, может рассчитываться по зависимости [8]:

где Е - модуль упругости материала, из которого изготовлены трубы, МПа; d_H- наружный диаметр труб, м; а_х - предел текучести материала, из которого изготовлены трубы, МПа.

Таблица 5.2

Допустимые значения минимальных радиусов кривизны и максимальных значений кривизны для обсадных труб

Для стальных труб (?=2,1 -10⁵ МПа и о_т= 220 МПа) в табл. 5.2 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 o.i составляет 0,45 предела прочности материала - о_в. Для стальных бурильных колонн (сталь 36Г2С) предел прочности на растяжение 600-700 МПа, поэтому a.j = 200-300 МПа [8].

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 [6]:

где Е - модуль упругости материала, МПа; /₀ - осевой момент инерции поперечного сечения трубы по резьбе, м⁴; W₀ - осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы по резьбе, м³; i_n - предельное значение интенсивности искривления, рад/м;

Неравенство (5.19) представим в виде уравнения для расчета предельного, по условиям эксплуатации бурильной колонны, значения интенсивности искривления скважины:

• к' К 57 3 [град/м], (5.20) " 1,3?/

В формуле (5.21) осевой момент инерции труб определяется по формуле (2.8), а сопротивления W₀ можно рассчитать по формуле:

Рис. 5.28. Схемы для анализа условий работы бурильной колонны в искривленном стволе скважины: а - эпюры напряжений материала бурильной колонны; 6 - положение растянутого; в-сжатого участка колонны в искривленном стволе

где а_в - внутренний диаметр труоы, м.

Для определения знака осевых напряжений (сжатие или

растяжение) необходимо определить положение нулевого сечения колонны бурильных труб:

где q - вес 1 м трубы с учетом соединительных элементов, даН; Уж, 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 (5.21) 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 5.1. Определить допустимую кривизну ствола скважины из условия прочности колонны бурильных труб ССК-59 в зоне нулевого сечения, у забоя при осевой нагрузке 15 000 Н и на расстоянии от забоя 700 м.

Параметры труб ССК-59: вес 1 метра трубы - 60 Н, изготовлена из стали марки 38ХНМ, наружный диаметр трубы d_H = 55 мм, внутренний d_B=45,4 мм, высота профиля резьбы 0,9 мм, внутренний диаметр трубы в месте резьбы d_p = 54,1 мм.

Осевой момент инерции по резьбе определим по зависимости

осевой момент инерции по трубе равен - 0,05(0,055⁴-0,0454⁴)=2,45-10‘⁷ м⁴; осевой момент сопротивления по резьбе определяем по формуле (5.22):

площадь сечения трубы по резьбе рассчитывается по зависимости

Характеристика стали 38ХНМ: модуль упругости Е = 2,1 * 10¹¹ Па, предел текучести о_х= 540 МПа, предел прочности а_в= 755 МПа, предел выносливости при симметричном цикле c_i= 0,45 а_в = 340 МПа, для практических расчетов принимаем o.i = 300 МПа.

Определим положение нулевого сечения колонны бурильных труб при бурении (5.23), учитывая, что удельный вес промывочной жидкости (воды) 1 гр/ см³, а стали 7,8 гр/см³:

Допустимая кривизна ствола скважины в зоне нулевого сечения (286 м от забоя) будет равна (5.20):

Нормальные напряжения от действия осевой нагрузки составят

Допустимую кривизну скважины у забоя определим по формуле (5.21):

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

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

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 будет уменьшаться.