Расчет равнопрочной колонны для вертикальной скважины

Равнопрочной называется колонна, у которой запасы прочности на растягивающие нагрузки в верхних сечениях отдельных секций базовой части колонны, за исключением наддолотного комплекта, равны (или близки) минимально допустимым.

При зенитных углах не более 15^о расчет бурильной колонны можно вести как для вертикальной скважины в предположении, что глубина скважины равна расчетной длине ствола наклонной скважины. При этом проверочные расчеты на дополнительные силы трения (разделы 4.1 – 4.4) можно не проводить.

Длина очередной i -й секции базовой части бурильной колонны вычисляется по формуле:

, (2.7)

где [ Q_m.i ] – допускаемая растягивающая нагрузка на i -ю секцию, которая вычисляется по формуле:

[ Q_m.i ] = σ_тi f_тi /n_σ. (2.8)

В формулах (2.7) и (2.8):

i –порядковый номер секции базовой части бурильной колонны, начиная с наддолотного комплекта бурильных труб;

k_τ – коэффициент, учитывающий влияние касательных напряжений на напряженное состояние трубы; при приближенных расчетах допускается принимать: для вертикальных скважин k_τ =1,04, а для наклонно направленных – 1,10; при наличии прихватоопасных условий коэффициенты k_τ можно увеличить соответственно до 1,10 и 1,15.

K – коэффициент, учитывающий влияние сил трения, в том числе сил гидродинамического происхождения, и инерционных сил; рекомендуется принимать K не менее 1,15;

ΣQ_{б(i -1 )} – сумма весов в буровом растворе секций бурильной колонны, находящихся ниже рассматриваемой (рассчитываемой); вес отдельно взятой секции в буровом растворе вычисляют по формуле:

Q_б=lqg (1 – ρ_р / ρ_м);

Q_кнб – вес КНБК, включая вес забойного двигателя (если он используется) с учетом облегчения в жидкости;

р_д, р_зд – соответственно перепад давления на долоте и забойном двигателе;

f_кi, f_тi – площадь сечения соответственно канала и тела рассматриваемой секции бурильной колонны;

q_i – масса пог. м трубы, выбранной для формирования рассматриваемой i- той секции; в Приложениях 5, 6 и 7 приведены данные по q_i для наиболее часто применяемых труб;

σ_тi - предел текучести материала, из которого изготовлена рассматриваемая труба; принимается из Приложений 1 и 2 (или из табл. 1.1);

n_σ – нормативный коэффициент запаса прочности, принимаемый в соответствии с Приложением 3.

В формуле (2.7) присутствует произведение перепада давления на долоте и забойном двигателе на площадь сечения канала трубы секции, длина которой определяется по расчету. Это дополнительная гидравлическая сила, которая создает в теле трубы добавочное напряжение растяжения, не влияя при этом на вес колонны.

Выбор конкретного варианта из имеющегося ассортимента труб (по диаметру, толщине стенки, группе прочности и типу соединения) зависит только от проектировщика – технолога. Поскольку наддолотный комплект (первая секция) выбирается без расчета, использование формулы (2.7) начинается обычно со второй секции.

Стремление к использованию низких групп прочности объективно ведет к увеличению числа секций, и колонна оказывается при этом самой тяжелой.

Использованием труб высоких групп прочности реализуется желание к уменьшению числа секций; такие колонны имеют завышенные запасы прочности и являются, как правило, более дорогими, но более легкими.

Составленная описанным методом бурильная колонна подвергается проверке на прочность при других видах нагружения (см. разделы 3.2, 3.3, 5, 6, 7).

Контрольные вопросы:

А. Что означает "равнопрочная бурильная колонна"?

Б. Напишите формулу для расчета длины секции.

В. Каков будет результат конструирования колонны, если стремиться использовать трубы минимальной прочности?

Г. Каков будет результат конструирования колонны, если стремиться использовать трубы повышенной прочности?

2.3. Составление равнопрочной бурильной колонны для
наклонно направленной скважины (ННС).

Конструирование колонны для ННС рекомендуется выполнить в соответствии с разделом 2 в предположении, что глубина вертикальной скважины равна длине наклонного ствола. При этом рекомендуется увеличить нормативный запас прочности на 0,05 – 0,10 для зенитных углов более 20⁰ по сравнению с запасом для вертикальной скважины. После этого колонна уточняется в процессе проверки ее на прочность в соответствии с разделами 4…7.

Таким образом, вначале выполняется расчет профиля проектируемой скважины для определения длин отдельных элементов траектории и длины ствола в целом.

Методику расчета равнопрочной колонны для ННС покажем на конкретном примере.

Примем, что скважина глубиной 3500 м по вертикали должна быть пробурена по 5-ти интервальному профилю с отходом 1200 м. Результаты расчетов профиля приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Параметры профиля наклонно направленной скважины

Название участка	Углы, град	Вертикальные проекции участков	Длина по стволу, м	Длина нарастающим аргом, м	Радиус искривления, м
Вертикальный
Набор угла	0…30
Прямой и наклонный
Спад угла	30…0
Вертикальный
	Итого

Выполним проектировочный расчет бурильной колонны длиной 3788 м в предположении, что скважина вертикальная.

Воспользуемся ограниченным ассортиментом бурильных и утяжеленных труб, приведенным в табл. 1.1.

Расчет допустимых длин секций бурильной колонны, начиная со второй (i= 2), выполняем по формуле (2.7).

КНБК составим из УБТС 178 длиной 200 м. Тогда вес его в растворе будет равен:

Q_кнб = 154,8∙9,81∙200∙(1 – 1150/7850)∙10^-3 = 259,2 кН.

Вес наддолотного комплекта (из труб ТБПК-127_*12,7Д) в растворе составляет:

Q _{б 1} = 40,6∙9,81∙300∙(1 – 1150/7850)∙10^-3 =102 кН.

Для второй секции бурильных труб выберем трубы ТБПК127∙9,2∙Е. Тогда σ _т = 539 МПа; f_т= 0,0034 м².

Примем К= 1,15. При роторном бурении вертикальных скважин n _σ=1,45 (Приложение 3). Увеличим этот норматив на 0,05 и примем n _σ=1,5, а К_τ= 1,04.

Допустимая длина 2-й секции составит:

Результат округлим в меньшую сторону до кратного 10-ти: l₂ = 2220 м.

Действуя аналогичным образом, найдем длины остальных секций.

Результаты расчетов приведены в табл. 2.2, из которой видно, что использование труб ТБПК127×12,7М из заявленного ассортимента (табл. 1.1) не потребовалось.

Если поместить в описанной (табл. 2.1) скважине данную бурильную колонну (табл. 2.2), то сформируется исходная информация (табл. 2.3), необходимая для проверочного расчета усилий при подъеме бурильной колонны в наклонно направленной скважине с максимальной глубины бурения. Она должна быть проверена на статическую прочность при подъеме с промывкой с учетом влияния сил трения на всех искривленных и наклонных участках скважины. Методика расчета и числовой пример содержатся в разделе 4.

Таблица 2.2

Конструкция бурильной колонны

(секции указаны снизу – вверх)

Шифр трубы	Длина секции, м	Интервал установки по стволу, м	Масса пог. метра трубы, кг	Вес секции в воздухе	Вес секции в буровом растворе, кН	Нарастающий вес колонны в буровом растворе, кН
от	до
УБТС178×90Л				154,8	303,5	259,2	259,2
ТБПК127×12,7Д				40,6	119,4	102,0	361,2
ТБПК127×9,2Е				31,22	679,5	580,3	941,5
ТБПК127×9,2Л				31,22	326,9	279,2	1220,7

Таблица 2.3

Расположение элементов бурильной колонны
на различных участках скважины (снизу – вверх)

№ участка	Интервал установки, м	Характеристика участка	Длина по стволу, м	Зенитный угол, град	Шифр трубы	Радиус кривизны, м
от	до
			вертик.			УБТС178
			спад		2,6…0	УБТС178
			спад		10,4…2,6	ТБПК127×12,7Д
			спад		30…10,4	ТБПК127×9,2Е
			наклон.			ТБПК127×9,2Е
			наклон.			ТБПК127×9,2Л
			набор		0…30	ТБПК127×9,2Л
			вертик.			ТБПК127×9,2Л

Контрольные вопросы:

А. Как составляется (конструируется) бурильная колонна для бурения наклонно направленной скважины (ННС)?

Б. Почему необходимо сконструированную для бурения ННС бурильную колонну проверять на прочность с учетом сил трения на наклонных участках?

В. Попробуйте доказать, что при больших зенитных углах растягивающие усилия при подъеме колонны могут быть меньше, чем в вертикальной при той же длине ствола?

3. Проверочный расчет бурильной колонны на статическую
прочность и на выносливость при роторном бурении
вертикальной скважины.

Предполагается, что бурильная колонна задана полностью и заранее не известно, является ли она равнопрочной. Цель расчета – определить запас прочности для любого сечения, которое воспринимается как опасное.

В равной степени можно расчетом проверить составленную перед тем равнопрочную колонну.

Дата добавления: 2015-06-27