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.
Для обсадных труб, учитывая статический характер работы обсадных колонн, допустимый радиус кривизны может рассчитываться по зависимости [4, 9]:
где Е - модуль упругости материала, из которого изготовлены трубы, МПа; dH - наружный диаметр труб, м; от - предел текучести материала, из которого изготовлены трубы, МПа.
Для стальных труб (Е = 2,1 * 105 МПа и от = 220 МПа) в табл. 5.1 приведены результаты расчетов радиуса и кривизны для обсадных колонн.
Таблица 5.1
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 |
|
340 |
162 |
0,35 |
|
324 |
152,3 |
0,37 |
|
299 |
142,3 |
0,4 |
|
273 |
130 |
0,44 |
|
245 |
116,6 |
0,49 |
|
219 |
104,25 |
0,55 |
|
194 |
92,3 |
0,615 |
|
178 |
84,7 |
0,67 |
|
168 |
80 |
0,71 |
|
146 |
69,5 |
0,82 |
|
140 |
66,6 |
0,91 |
|
127 |
60,3 |
0,95 |
|
114 |
54,3 |
1,04 |
|
108 |
51,4 |
1Д |
|
89 |
42,3 |
1,35 |
|
73 |
34,7 |
1,65 |
|
57 |
27,1 |
2,1 |
Для бурильных колонн, работающих в режиме вращения в скважине, 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 g_i составляет 0,45 предела прочности материала - ав. Для стальных бурильных колонн (сталь 36Г2С) предел прочности на растяжение 600-700 МПа, поэтому o_i = 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; /0 - осевой момент инерции поперечного сечения трубы по резьбе, м4; W0 - осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы по резьбе, м3; /п - предельное значение интенсивности искривления, рад/м.
Неравенство (5.12) представим в виде уравнения для расчета предельного, по условиям эксплуатации бурильной колонны, значения интенсивности искривления скважины:
Различные участки бурильной колонны передают осевые растягивающие (верхний участок) и сжимающие (нижний участок) нагрузки. Напряжение сжатия или растяжения рассчитывается как соотношение осевой нагрузки Рос, действующей в сечении трубы на определенной глубине площади поперечного сечения трубы, и площади этого поперечного сечения F: о0С = Рос / F. 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:
В формуле (5.14) осевой момент инерции труб определяется по формуле (2.15), а сопротивление W0 можно рассчитать по формуле
где db - внутренний диаметр трубы, 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 (5.14) 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.
