Расчет приращения момента на вращение бурильной колонны на участках набора и спада зенитного угла

Расчет растягивающих усилий на участке спада зенитного угла без учета и с учетом влияния желобов.

Методика расчета аналогична описанной в разделах 8.1 – 8.2. Отличие заключается только в том, что поперечная составляющая силы тяжести не уменьшают силу прижатия, а увеличивают ее: в формулах (8.7) и (8.8) составляющие силы суммируются.

Обычно на участках спада зенитного угла радиусы кривизны кратно больше таковых на участке набора угла и превышают 1000 м. В подобных случаях трубы не касаются стенки скважины, и размер желоба соответствует размеру замка, а не трубы. Силы трения перестают зависеть от наличия желоба. Это значит, что влиянием желоба на растягивающие силы можно пренебречь.

Контрольные вопросы:

А. В чем принципиальная разница в методике расчета растягивающих сил на участке спада зенитного угла по сравнению с участком набора угла?

Б. Могут ли образоваться желоба на участках спада зенитного угла и какова будет их ширина, если радиус кривизны существенно больше 1000 м.

В. Можно ли пренебречь влиянием желобов на силы растяжения на участке спада зенитного угла?

Силы, прижимающие бурильные трубы к стенке скважины, вызывают не только появление сил трения при подъеме или спуске инструмента, но и момента при его вращении.

Чем больше доля ψ прижимающей силы, приходящейся на замки, и больше угол β, тем больше приращение момента на вращение колонны, которое (для отдельно взятой трубы) вычисляется по формуле:

, (8.15)

где l₀ – длина бурильной трубы.

В формуле (8.15) под силой прижатия F_i понимается сила, найденная, как минимум, после трехкратного повторения расчета в итерационном цикле.

Самая благоприятная ситуация создается при отсутствии (и очень малом по глубине) желоба, когда ψ ≈ 0. Самая неблагоприятная – при ψ= 1, когда желоб глубок, тело труб не касается стенки скважины, и вся прижимающая сила приходится на замковые соединения.

Рис. 8.5. Изменение момента на вращение колонны по мере
набора зенитного угла.
Условия расчета: R= 400 м; трубы ТБПК 127_*9,2 с замками 165,1 мм;
сила натяжения в нижнем сечении искривленного участка – 1000 кН.

Последний случай иллюстрируется расчетами, результаты которых приведены на рис. 8.5. Видно, что приращение момента на вращение колонны труб с появлением желоба увеличивается примерно в 2 раза. Увеличение ширины желоба с 127 до 150 мм приводит к возрастанию момента втрое. При дальнейшем увеличении ширины желоба до 160 мм (при диаметре замка 165 мм) момент на вращение возрастает в 6 раз.

При выполнении проверочных расчетов бурильных колонн на прочность при совместном действии нормальных и касательных напряжений (на этапе проектирования строительства скважины) рекомендуется исходить из предположения, что ширина желоба равна диаметру трубы.

Наиболее опасным моментом является подъем колонны с промывкой и вращением. В этом случае моменты на вращение по абсолютному значению максимальны.

Контрольные вопросы:

А. Почему на участке набора зенитного угла наблюдается значительно большее увеличение момента на вращение колонны по сравнению с прямолинейно наклонным участком?

Б. Почему желоба вызывают дополнительное увеличение момента на вращение колонны?

В. Как будет изменяться момент на вращение по мере расширения желоба?

Г. При какой технологической операции и почему создается наиболее опасная ситуация с точки зрения запаса прочности в статических условиях?

Литература

1. Инструкция по расчету бурильных колонн. – М.: 1997. – 156 с.

2. Лукьянов А.В., Пуля Ю.А. Определение крутящего момента, необходимого для вращения изогнутых бурильных труб вокруг собственной оси на криволинейных участках трассы скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2004. - № 3. –с. 17-20.

3. Осипов П.Ф. Влияние замков бурильных труб на изгибные напряжения на участке набора зенитного угла // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2005. - № 12. – с. 11-12.

4. Чупров И.Ф.. Осипов П.Ф. Оценка приращения температуры в зоне трения при подъеме бурильной колонны в наклонно направленной скважине // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2005 - № 7, с. 6-8.

5. Любошиц М.И., Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов. – Минск: "Вышэйшая школа". – 1969. – 464 с.

6. Саркисов Г.М. Расчеты бурильных и обсадных колонн. – М.: Недра. – 1971. – 205 с.

7. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. – М.: Недра. – 1990. – 263 с.

Приложения

Приложение 1

Механические свойства материалов бурильных труб
отечественного производства

Показатель	Группа прочности
	Д16Т	Д	К	Е	Л	М	Р	Т
Предел текучести при растяжении σт, Мпа, не менее
Предел прочности при растяжении σт, Мпа, не менее
Модуль упругости при растяжении – сжатии Е, Мпа	7,06*10^4	2,06*10^5
Модуль упругости при кручении G, Мпа	2,7*10^4	7,7*10^4
Плотность, кг/м^3

Приложение 2

Механические свойства материалов импортных стальных
бурильных труб (по стандартам АНИ)

Показатель	Группа прочности
E-75	X-95	G-105	S-135
Предел текучести при растяжении σт, Мпа, не менее
Предел прочности при растяжении σт, Мпа, не менее

Приложение 3

Коэффициенты запаса прочности бурильных колонн

Скважина	Бурение с забойным двигателем	Роторное бурение
Бурение на суше и на море со стационарных оснований
Вертикальная	1,35	1,45
Наклонно направленная	1,40	1,50
Бурение с плавучих средств
	1,40	1,50
	1,45	1,55

Минимальный запас выносливости – 1,5.

Приложение 4

Условные ОБОЗНАЧЕНИЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ (БК)

Нормативный документ	Краткая характеристика трубы	Обозначение нормативное	Обозначение в Инструкции по расчету БК
	Тип 1 – с высаженными внутрь концами, навинченными замками	Труба В -	ТБВ
ГОСТ 631-75	Тип 2 – то же, с высаженными наружу концами	Труба Н -	ТБН
	Тип 3 – с высаженными внутрь концами и коническими стабилизирующими поясками, с навинченными замками	Труба ВК -	ТБВК
	Тип 4 – то же с высаженными наружу концами	Труба НК -	ТБНК
	ПВ – с внутренней высадкой, приваренными замками	Труба ПВ -	ТБПВ
ГОСТ Р 50278-92	ПК – то же, с комбинированной высадкой	Труба ПК -	ТБПК
	ПН – то же, с наружной высадкой	Труба ПН -	ТБПН
ГОСТ 23786-79	Труба бурильная из алюминиевого сплава с внутренними концевыми утолщениями (законцовками), навинчиваемыми замками.	ТБ Д16.Т	АВТ или ЛБТ
	То же с протекторным утолщением	ТБП Д16.Т	АВТП или ЛБТП
	Импортные стальные бурильные трубы с приваренными замками с внутренней высадкой		ТБИВ
Стандарты АНИ	То же, с комбинированной высадкой		ТБИК
	То же, с наружной высадкой		ТБИН

Приложение 5

Геометрические и массовые характеристики
бурильных труб

трубы стальные по ГОСТ Р 50278-92 с приваренными замками
по ГОСТ 27834-95

трубы стальные по ГОСТ 631-75 с навинченными замками
по ГОСТ 5286-75

Обозначение типо-размера труб	Группа прочности	Наружный диаметр, мм	Толина стенки, мм	Тип замкового соединения	Масса 1 м тела трубы, кг	Приведенная масса 1 м трубы длиной 12,5 м
ПК-114х9	Д; Е	114,3	8,6	ЗП-159-83	22,32	27,37
ПК-114х11	Д; Е	114,3	10,9	ЗП-159-76	27,84	33,19
ПК-114х9	Л; М	114,3	8,6	ЗП-159-76	22,32	27,74
ПК-114х9	Р	114,3	8,6	ЗП-159-70	22,32	28,36
ПК-114х11	Л	114,3	10,9	ЗП-159-70	27,84	33,73
ПК-114х11	М	114,3	10,9	ЗП-159-63	27,84	34,10
ПК-114х11	Р	114,3	10,9	ЗП-159-57	27,84	34,42
ПК-127х9	Д; Е		9,2	ЗП-162-95	26,70	31,22
ПК-127х13	Д; Е		12,7	ЗП-162-89	35,80	40,6
ПК-127х9	Л		9,2	ЗП-162-89	26,70	31,94
ПК-127х9	М		9,2	ЗП-165-83	26,70	32,78
ПК-127х9	Р		9,2	ЗП-168-70	26,70	33,47
ПК-127х13	Л		12,7	ЗП-165-76	35,80	41,84
ПК-127х13	М		12,7	ЗП-168-70	35,80	42,47
ПК-127х13	Р		12,7	ЗП-181-83	35,80	43,62
ПК-140х9	Д; Е	139,7	9,2	ЗП-178-102	29,52	35,53
ПК-140х11	Д; Е	139,7	10,5	ЗП-178-102	33,57	39,53
ПК-140х9	Л	139,7	9,2	ЗП-178-95	29,52	36,10
ПК-140х9	М	139,7	9,2	ЗП-184-89	29,52	37,13
ПК-140х9	Р	139,7	9,2	ЗП-190-76	29,52	38,77
ПК-140х11	Л;М	139,7	10,5	ЗП-184-89	33,57	41,09
ПК-140х11	Р	139,7	10,5	ЗП-190-76	33,57	42,73
ВК-114 х9	Д; Е	114,3		ЗУК-146	23,4	26,6
ВК-114 х10		114,3		ЗУК-146	25,7	28,9
ВК-114 х11		114,3		ЗУК-146	28,0	31,1
ВК-114 х9	Д; Е	114,3		ЗУК-146	23,4	26,6
ВК-114 х10		114,3		ЗУК-146	25,7	28,9
ВК-114 х11		114,3		ЗУК-146	28,0	31,1
ВК-127 х9				ЗУК-155	26,2	29,5
ВК-127 х10				ЗУК-155	28,9	32,1
ВК-127 х9				ЗУК-155	26,2	29,5
ВК-127 х10				ЗУК-155	28,9	32,1
ВК-140 х9		139,7		ЗШК-178	29,0	34,0
ВК-140 х10		139,7		ЗШК-178	32,0	37,0
ВК-140 х11		139,7		ЗШК-178	35,0	39,9
ВК-140 х9		139,7		ЗШК-178	29,0	34,4
ВК-140 х10		139,7		ЗШК-178	32,0	37,2
ВК-140 х11		139,7		ЗШК-178	34,9	40,0
ВК-168 х9		168,3		ЗШ-203	35,3	41,3
ВК-168 х10		168,3		ЗШ-203	39,0	45,2

Приложение 6

Геометрические и массовые характеристики
бурильных труб из алюминиевых сплавов

по ГОСТ Р 23786-79 с навинченными замками
по ТУ 39-0147016-46-93

Обозначение типораз-мера труб	Группа прочности	Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Тип замкового соединения	Масса 1 м тела трубы, кг	Приведенная масса 1 м трубы, кг	Приведенная плотность, кг/м^3
ЛБТ-147	Д16Т			ЗЛ-172-83	13,9	16,5
ЛБТ-147	Д16Т			ЗЛ-172-83	16,1	18,6

Приложение 7

Геометрические и массовые характеристики
импортных бурильных труб

(стандарт АНИ)

комбинированная высадка

Обозначение типо-размера труб	Группа прочности	Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Тип замкового соединения	Наружный диаметр замкового соединения	Масса 1 м тела трубы, кг	Приведенная масса 1 м трубы длиной 12,5 м
IEU-114	Е-75	114,3	8,56	NC46(4 1/2F)	158,8	24,7	27,4
IEU-114	Е-75	114,3	8,56	4 ½ FH	152,4	24,7	27,2
IEU-114	Х-95	114,3	8,56	NC46(4 1/2F)	158,8	24,7	27,4
IEU-114	Х-95	114,3	8,56	4 ½ FH	152,4	24,7	27,2
IEU-114	G-105	114,3	8,56	NC46(4 1/2F)	158,8	24,7	27,4
IEU-114	G-105	114,3	8,56	4 ½ FH	152,4	24,7	27,2
IEU-114	S-135	114,3	8,56	NC46(4 1/2F)	158,8	24,7	27,6
IEU-114	S-135	114,3	8,56	4 ½ FH	158,8	24,7	27,8
IEU-114	Е-75	114,3	10,92	4 ½ FH	152,4	29,8	32,4
IEU-114	Е-75	114,3	10,92	NC46(4 1/2F)	158,8	29,8	33,0
IEU-114	Х-95	114,3	10,92	4 ½ FH	152,4	29,8	32,3
IEU-114	Х-95	114,3	10,92	NC46(4 1/2F)	158,8	29,8	33,1
IEU-114	G-105	114,3	10,92	4 ½ FH	152,4	29,8	32,3
IEU-114	G-105	114,3	10,92	NC46(4 1/2F)	158,8	29,8	33,4
IEU-114	S-135	114,3	10,92	NC46(4 1/2F)	158,8	29,8	33,6
IEU-127	Е-75	127,0	9,19	5 ½ FH	177,8	29,0	33,4
IEU-127	Е-75	127,0	9,19	NC50(41/2IF)	161,9	29,0	31,3
IEU-127	Х-95	127,0	9,19	5 ½ FH	177,8	29,0	33,5
IEU-127	Х-95	127,0	9,19	NC50(41/2IF)	161,9	29,0	31,4
IEU-127	G-105	127,0	9,19	5 ½ FH	177,8	29,0	33,5
IEU-127	G-105	127,0	9,19	NC50(41/2IF)	165,1	29,0	32,0
IEU-127	S-135	127,0	9,19	5 ½ FH	184,2	29,0	34,5
IEU-127	S-135	127,0	9,19	NC50(41/2IF)	168,3	29,0	32,9
IEU-127	Е-75	127,0	12,7	5 ½ FH	177,8	38,1	42,5
IEU-127	Е-75	127,0	12,7	NC50(41/2IF)	161,9	38,1	40,2
IEU-127	Х-95	127,0	12,7	5 ½ FH	177,8	38,1	42,6
IEU-127	Х-95	127,0	12,7	NC50(41/2IF)	165,1	38,1	42,2
IEU-127	G-105	127,0	12,7	5 ½ FH	184,2	38,1	43,2
IEU-127	G-105	127,0	12,7	NC50(41/2IF)	168,3	38,1	41,9
IEU-127	S-135	127,0	12,7	5 ½ FH	184,2	38,1	43,5
IEU-139,7	Е-75	139,7	9,17	5 ½ FH	177,8	32,6	35,7
IEU-139,7	Е-75	139,7	9,17	5 ½ FH	187,3	32,6	36,1
IEU-139,7	X-95	139,7	9,17	5 ½ FH	177,8	32,6	36,1
IEU-139,7	G-105	139,7	9,17	5 ½ FH	184,2	32,6	37,2
IEU-139,7	G-105	139,7	9,17	5 ½ FH	177,8	32,6	35,7
IEU-139,7	G-105	139,7	9,17	5 ½ FH	187,3	32,6	36,4
IEU-139,7	S-135	139,7	9,17	5 ½ FH	190,5	32,6	38,5
IEU-139,7	Е-75	139,7	10,54	5 ½ FH	177,8	36,8	40,0
IEU-139,7	X-95	139,7	10,54	5 ½ FH	187,3	36,8	41,5
IEU-139,7	G-105	139,7	10,54	5 ½ FH	187,3	36,8	41,5
IEU-139,7	S-135	139,7	10,54	5 ½ FH	190,5	36,8	42,8
IEU-152,4	Е-75	152,4	8,23	5 ½ IH	187,3	32,8	35,7
IEU-152,4	X-95	152,4	8,23	5 ½ IH	187,3	32,8	36,0
IEU-152,4	G-105	152,4	8,23	5 ½ IH	187,3	32,8	36,0
IEU-152,4	S-135	152,4	8,23	5 ½ IH	187,3	32,8	36,0
IEU-152,4	Е-75	152,4	9,65	5 ½ IH	187,3	37,2	40,0
IEU-152,4	X-95	152,4	9,65	5 ½ IH	187,3	37,2	40,2
IEU-152,4	G-105	152,4	9,65	5 ½ IH	187,3	37,2	40,2
IEU-152,4	S-135	152,4	9,65	5 ½ IH	187,3	37,2	40,2
IEU-168,3	Е-75	168,3	8,38	6 5/8 FH	203,2	37,5	41,9
IEU-168,3	X-95	168,3	8,38	6 5/8 FH	203,2	37,5	42,5
IEU-168,3	G-105	168,3	8,38	6 5/8 FH	203,2	37,5	42,5
IEU-168,3	S-135	168,3	8,38	6 5/8 FH	203,2	37,5	42,5

Приложение 8

Геометрические и массовые характеристики
утяжеленных бурильных труб отечественного

производства

Обозначение типоразмера труб	Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Внутренний диаметр, мм	Тип замковой резьбы	Масса 1 м тела трубы, кг
УБТС2-120				З-101	63,5
УБТС2-133		34,5		З-108	84,0
УБТС2-146				З-121	103,0
УБТС2-178				З-147	156,0
УБТС2-203		61,5		З-161	214,6
УБТС2-229		69,5		З-171	273,4
УБТС2-254				З-201	336,1
УБТС2-273		86,5		З-201	397,9
УБТС2-299		99,5		З-201	489,5

Приложение 9

Предельные (соответствующие пределу текучести) растягивающие нагрузки для стальных бурильных труб

(ГОСТ Р 50278-32)

Наружный диаметр трубы, мм	Толщина стенки, мм	Растягивающая нагрузка, кН (при Мк= 0)
Д	Е	Л	М	Р
114,3	8,6
	10,9
	9,2
	12,7
139,7	9,2
	10,5

Приложение 10

Предельные (соответствующие пределу текучести) крутящие моменты для стальных бурильных труб

(ГОСТ Р 50278-32)

Наружный диаметр трубы, мм	Толщина стенки, мм	Крутящие моменты, Н*м (при Qр= 0)
Д	Е	Л	М	Р
114,3	8,6
	10,9
	9,2
	12,7
139,7	9,2
	10,5

Приложение 11

Пределы выносливости (σ_{- 1})

Шифр трубы	Группа прочности	Условный диаметр трубы, мм
ТБВК	Д
ТБНК	К
ТБПВ	Е
ТБПК	Е
ТБПК	Л
ТБНК	М
ЛБТ	Д16Т

Приложение 12

Предельные (соответствующие пределу текучести) осевые
растягивающие нагрузки в кН в клиновом захвате на бурильные трубы
по ГОСТ Р 50278-92 или стандарту АНИ для клина длиной 400 мм
при коэффициенте охвата С =1.

Наружный диаметр трубы, мм	Толщина стенки, мм	Группа прочности / Марка стали
___Д____	___Е____ Е-75	___Л____ Х-95	___М____ G-105	___Р____ S-135
114,3	8,56
	10,92
127,0	9,19
	12,7
139,7	9,17
	10,54
152,4	8,23
	9,65
168,3	8,38

Приложение 13

Предельное внутреннее давление для стальных труб по ГОСТ Р 50278-92

Наружный диаметр труб, мм	Толщина стенки, мм	Предельное давление, соответствующее пределу текучести, МПа
Д	Е	Л	М	Р
114,3	8,6	50,03	68,08	88,33	95,35	122,60
10,3	63,37	86,23	109,40	120,90	155,40
	9,2	48,17	65,53	83,09	91,82	118,00
12,7	66,41	90,45	114,70	126,70	162,90
139,7	9,2	43,75	59,55	75,54	83,48	107,30
10,5	49,93	68,00	86,23	95,26	122,40

Приложение 14

Предельное наружное давление для стальных труб по ГОСТ Р 50278-92

Наружный диаметр труб, мм	Толщина стенки, мм	Предельное давление, соответствующее пределу текучести, МПа
Д	Е	Л	М	Р
114,3	8,6	42,48	55,92	68,08	73,58	87,90
10,3	58,00	77,70	96,73	105,90	131,70
	9,2	40,32	52,78	63,96	68,96	81,52
12,7	61,41	82,00	103,10	113,00	141,40
139,7	9,2	34,92	45,32	53,96	57,68	66,71
10,5	42,48	55,92	68,00	73,48	87,70

Дата добавления: 2015-06-27