Расчет колонны на кручение. Сила трения, создающая момент сопротивления вращению трубы на наклонных участках Мхв, зависит от силы

Сила трения, создающая момент сопротивления вращению трубы на наклонных участках М_хв, зависит от силы, с которой труба прижата к стенке, от диаметра трубы d_т и коэффициента трения μ. Поэтому допускается определение момента на вращение бурильной колонны по методикам, используемым при проектировании технологических процессов при строительстве наклонно направленных скважин, например, при расчете угла закручивания колонны перед ориентированием плоскости "кривого" инструмента.

М_хв.i = q_i · gl_i (1 – ρ_р / ρ_м)· μ · sinα_с · d_т.i / 2, (4.6)

где α_с – средний зенитный угол на данном интервале расположения колонны, который определяется как полусумма углов в начале и в конце интервала расположения участка трубы или секции колонны.

Формулой (4.6) можно пользоваться на участках с малой интенсивностью искривления с радиусом кривизны более 1000 м, например, на участках спада зенитного угла.

На участке набора зенитного угла усилия натяжения на концах участка создают дополнительную прижимающую к стенке скважины силу. Собственный вес колонны в растворе несколько уменьшает силу прижатия. Момент на холостое вращение М_хв.н на этом участке можно определить по приближенной формуле:

, (4.7)

где l_нб – длина участка набора зенитного угла между α_к и α по стволу,

α – текущий угол, соответствующий местоположению исследуемого слабого сечения (в верхнем сечении участка α = 0).

Момент на холостое вращение М_хв.с на участке спада угла можно определить по приближенной формуле:

, (4.7)^*

где l_сп – длина участка спада зенитного угла между α_н и α_n по стволу,

α_н – начальный угол в верхнем сечении участка спада угла;

α_т – текущий угол, соответствующий местоположению исследуемого слабого сечения (α_т < α_н).

Момент на "холостое" вращение всей колонны определяется как сумма моментов по всем участкам (секциям):

М_хв = S М_хв.i. (4.8)

Опыт расчетов показывает, что при малых зенитных углах (приблизительно до 10⁰) результаты расчета по формуле (4.7) оказываются существенно меньше, чем по формуле (3.5), которая предложена в Инструкции [1] и после небольшого преобразования – в разделе 3 для прогнозирования момента на вращение колонны в вертикальной скважине:

.

Поэтому для каждого расчетного участка (за исключением участка набора зенитного угла независимо от величины угла), если зенитный угол более 10⁰, необходимо подсчитать моменты М_хв.i по формулам (4.7) и (3.5), а затем выбрать больший по значению.

Еще одним источником возникновения момента на вращение, не предусмотренным Инструкцией [1], является наличие искривленных участков профиля (набора и спада зенитного угла), где имеет место циклическое изменение изгибных напряжений (за каждые пол-оборота) с растяжения на сжатие и наоборот. При этом совершается значительная работа на поддержание деформации трубы в результате изгиба, на что потребуется приложить дополнительный вращающий момент М_дф. Доказано [2], что величина М_дф соизмерима с моментом на преодоление сил трения (4.7).

Величина М_дф вычисляется [4] по формуле:

, (4.9)

где L_α – длина искривленного участка с радиусом R.

Дальнейшие вычисления проводят так же, как в случае вертикальной скважины. Определяют момент М_д по формуле (3.4), суммируют его с М_хв и М_дф, вычисляют касательное напряжение по формуле (3.7) и, наконец, запас прочности по формуле (3.9).

На вертикальных и прямолинейно наклонных участках, где нет напряжений изгиба (или если ими пренебречь ввиду малости), но действуют существенные по величине σ и τ, рекомендуется использовать найденный запас прочности n_τ для определения эквивалентного напряжения σ_э по формуле (3.10) и обобщенного запаса прочностипо формуле (3.11).

Более строгие методики расчета крутящих моментов (моментов вращения) колонны на участках набора и спада зенитного угла изложены в разделе 8.4.

Контрольные вопросы:

А. Какова последовательность расчета момента на вращение бурильной колонны в наклонно направленной скважине?

Б. Какова методика определения запаса прочности по эквивалентному напряжению?

Дата добавления: 2015-06-27