Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Центрирование бурильных и обсадных колонн.

Читайте также:
  1. Концентрирование с помощью мембран.
  2. Концентрирование сока вымораживанием.
  3. Работа 4. Влияние концентрационных градиентов в почке на концентрирование мочи.

Практика бурения скважин показала, что нагрузка на долото, обеспечивающая высокую скорость проходки, чаще всего нахо­дится за пределами критической величины устойчивости низа колонны. С целью предупреждения искривления вертикальной оси скважины при создании таких нагрузок появляется необходимость в предохранении бурильной колонны от потери устойчивости. Основной способ предотвращения изгиба низа колонны — пра­вильная расстановка жестких центрирующих устройств.

Центрирование обсадных колонн в наклонной скважине или на наклонном участке скважины — важная предпосылка качественного крепления ствола, так как при этом обеспечивается наиболее полное вытеснение промывочной жидкости цементным раствором. Для этой цели производится рациональная расстановка пружин­ных центраторов вдоль колонны.

Решение этих задач базируется на известном в сопротивлении материалов упрощенном уравнении равновесия упругого стержня, при изгибе — на уравнении изогнутой оси:

, (4.110)

где EI — жесткость колонны на изгиб; М — изгибающий момент в сечении х; у — величина прогиба в сечении х.

При решении задач центрирования бурильной колонны исходят из условий потери устойчивости стержня первого, второго и т. д. порядка, а при решении задач центрирования обсадной ко­лонны— из условия максимального прогиба на участках между опорами (центраторами).

1. Рассмотрим теоретическую модель изгиба бурильной колонны, представляющую собой вертикальный стержень постоянного попе­речного сечения, оба конца которого имеют шарнирные опоры (рис. 69). Пренебрегая вращением колонны, влиянием сил вязкости и реакцией струи бурового раствора на долото, изучим устойчивость колонны под действием собственного веса, выталкивающей силы и сил реакции опор. Начало координат выбрано в нейтральном сечении бурильной колонны, а ось X направлена вниз вдоль оси скважины.

 

Рис. 69. Схема сил, действующих на нижнюю часть бурильной колонны.

 

В уравнении изогнутой оси стержня (4.110) изгибающий момент определяется по формуле

, (4.111)

где — вертикальная составляющая реакции забоя скважины или нагрузка на долото; — горизонтальная составляющая реакции забоя; q — вес единицы длины колонны в буровом растворе; — расстояние от нейтрального сечения колонны до долота; — прогиб колонны на расстоянии , от сечения X.

Дифференцируя обе части уравнения (4.110) с использованием выражения (4.111), получим

. (4.112)

Для выявления общих закономерностей независимо от типа бурильной колонны и вида бурового раствора уравнение (4.112) следует представить в безразмерной форме, вводя следующие обозначения:

.

Тогда уравнение (4.112) можно записать в виде

. (4.113)

(штрихи означают производные по Х).

общее решение этого уравнения может быть получено методом неопределенных коэффициентов

, (4.114)

где a, b, c и g = постоянные, подлежащие определению, , и - следующие степенные ряды:

(4.115)

Граничные условия для концов с шарнирными опорами имеют вид при и или, используя решение (4.114):

(4.116)

Исключив из двух первых уравнений g, получим систему трех уравнений с тремя неизвестными а, b и с:

(4.117)

Однородная система уравнений (4.117) будет иметь смысл, если детерминант ее равен нулю, т.е.

, (4.118)

где

Это выражение характеризует соотношение между и . Так как в реальных условиях бурения растянутая часть бурильной колонны велика, то примем, по Вудсу и Лубинскому, что . Тогда из уравнения (4.118) определится критическое значение первого порядка. Расчет на ЭВМ дает .

Если к двум последним уравнениям в системе (4.116) при­соединить равенство нулю производной от у(х), т. е.

то полученная таким образом система имеет решение (если детерминант ее равен нулю)

, (4.119)

где

При критических условиях, т.е. когда и , уравнение (4.119) определяет абсциссу максимального прогиба, которая согласно вычислениям равна .

Не ставя целью исследование формы изогнутой оси, не будем останавливаться на определении коэффициентов а, b, с и g.

Таким образом, полученное решение позволяет заключить, что если длина растянутой части колонны достаточно велика, то критическая длина сжатой части будет , а установка центратора на расстоянии от низа колон­ны будет способствовать увеличению нагрузки на долото с сохранением прямолинейной формы бурильной колонны.

 

Рис. 70. Расчетная схема после установки одного центратора

 

Чтобы определить критические условия потери устойчивости
бурильной колонны для участка над центратором и под ним,
рассмотрим равновесие изогнутой оси, изображенной на рис. 70.
Для обоих участков колонны уравнение (4.113) и решение (4.114)
сохраняют свою форму, хотя постоянные а, b, с и g будут различны. Для верхнего участка колонны граничные условия в безразмерных координатах примут вид

при , при , (4.120)

а для нижнего участка

при , при (4.121)

Используя граничные условия (4.120), по аналогии с первой задачей получим критическое условие для верхнего участка колонны

(4.122)

где .

Используя граничные условия (4.121), получим критическое условие для нижнего участка колонны:

(4.123)

где

Полагая и и принимая во внимание формулы (4.115), методом последовательных приближений на ЭВМ было найдено, что уравнение (4.122) удовлетворяется при , а уравнение (4.123) — при .

Следовательно, при длине сжатой части колонны произойдет потеря устойчивости верхнего участка, а нижний участок изогнется при нагрузке несколько большей, соответству­ющей длине .

Точка максимального прогиба для верхнего участка опреде­лится из уравнения

где , а для нижнего участка из уравнения

,

где .

Решением на ЭВМ при критических условиях, т. е. когда , , и , были найдены абсциссы точек максимального прогиба: для верхнего участка ; для нижнего участка . Отсюда получаем места установки еще двух центраторов на расстоянии и от нижнего конца бурильной колонны (рис. 71).

 

Рис. 71. Схема расстановки центраторов, обеспечивающих прямолинейность низа бурильной колонны

 

Таким образом, установка трех центраторов (рис. 71) должна обеспечить прямолинейность низа бурильной колонны при зна­чительных нагрузках на долото.

Помимо указанных трех центраторов, которые обеспечивают возможность получения вертикального ствола скважины, для стабилизации долота на забое и создания благоприятных условий его работы непосредственно над долотом устанавливается центратор-расширитель, по диаметру равный диаметру долота.

При разбуривании пород, склонных к быстрому осыпанию и образованию каверн, с целью обеспечения нормальной работы центрирующих приспособлений вместо первого от долота центратора необходимо устанавливать один - два на расстоянии (0,125 — 0,2) т и второй — (0,55 — 0,6) т. При таком расположении центраторов верхний можно не включать в компоновку низа бурильной колонны.

2. Центрирование обсадной колонны следует рассматривать в момент, соответствующий окончанию продавки цементного раствора в затрубное пространство. В этот момент основание колонны перекрыто обратным клапаном, и она кроме собствен­ного веса растянута весом столба бурового раствора, находя­щегося внутри колонны, и сжата выталкивающей силой, которая создается цементным и буровым растворами в затрубном пространстве. При этом существует ней­тральное сечение, ниже которого колонна сжата, выше — растянута.

Расстояние от основания колонны до нейтрального сечения может быть найдено по формуле

, (4.124)

где и — средневзвешенные по длине наружный и внутренний диаметры колон­ны; , , — плотности соответственно цементного раствора, бурового раствора и материала труб; L — длина колонны.

Выберем начало прямоугольной систе­мы координат и направление осей х и у так, как показано на рис. 72. Здесь же приведена схема сил, действующих в ука­занных интервалах. Все величины, обозна­ченные на рисунке индексом I, относятся к сжатой зоне, а величины, обозначенные индексом 2, — к растянутой.

 

Рис. 72. Схема сил, действующих на участки обсадной колонны между концентраторами

 

В данном случае изгибающие моменты в (4.110) для соответствующих участков колонны имеют вид

(4.125)

где , и F, — соответственно момент, поперечная и продольная составляющие сил, действующих в концевых сечениях х = 0; q — средний вес единицы длины труб; — угол наклона участка к вертикали; — текущая величина прогиба в интервале ; здесь и ниже верхний знак — для сжатой зоны, нижний—для растянутой.

Для упрощения решения задачи вполне допустимо пренебречь моментом от распределенной продольной составляющей веса труб как величиной малой по сравнению с другими моментами, действующими в произвольном сечении х. Тогда, после подста­новки правой части (4.125) без интегрального члена в уравнение (4.110) и двойного дифференцирования, получим в безразмерном виде исходное уравнение изгиба

,

где , , , , Х – расстояние от нейтрального сечения колонны до середины рассматриваемых участков.

Найдем решение этого уравнения при следующих граничных условиях:

при и ;

при ;

при ,

где , K — угол поворота концевых сечений участка колонны под действием единичного момента.

Согласно этим условиям изгиб колонны относительно опор (центраторов) определяется по формулам:

а) для сжатой зоны

;

б) для растянутой зоны:

.

Для определения расстояний между соседними центраторами воспользуемся условием равенства максимального прогиба ко­лонны некоторой допустимой величине. Из условия при получим:

а) для сжатой зоны

; (4.126)

б) для растянутой зоны

, (4.127)

где ; D — диаметр скважины, п — число, характе­ризующее допустимое уменьшение зазора при . Если принять угол поворота концевых сечений и зависящим от веса низа колонны, например, в виде

,

то в уравнениях (4.126) и (4.127) надо принять соответственно .

В таком случае искомые расстояния между центраторами l зависят от трех безразмерных величин

, и .

Но, как показывают расчеты, параметр С для существующих диаметров обсадных труб, глубин и углов наклона скважины изменяется в узком диапазоне: . Поэтому достаточно иметь зависимость l от параметров А и Х/Н при С = const.

На рис. 73 приведены графики зависимости l от А и расстояний от низа колонны до рассматриваемого сечения при С = 2,5. Пунктирные линии соответствуют, например, следующим исход­ным данным: D = 0,216 м, м, м, , , L = 3000 м, , , и п = 4, что соответствует Н = 980 м, А = 3,6.

Графики на рис. 73 могут использоваться и при , достаточно полученные значения l умножить на 0,4 С.

 

Рис. 73. Графики для определения расстояний между центраторами на обсадной колонне

 

Напомним, что решение по расстановке центраторов на обсадной колонне получено из условия допустимого максималь­ного прогиба на участках колонны между центраторами. Однако для обеспечения заданного эксцентриситета по всему интервалу центрирования необходимо учитывать деформацию центраторов под действием сил на прямолинейном наклонном участке и в интервале набора кривизны, где R — средний радиус кривизны, причем R > 0, если ось скважины имеет вогнутую форму и R < 0 — выпуклую форму.

Для выбора необходимой жесткости G центраторов или уточнения результатов, полученных по графикам на рис. 73, можно использовать критерий , где — допустимый эксцентриситет.

 

 


Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 341 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.019 сек.)