Проверка бурильной колонны на прочность.

Расчет бурильной колонны производится в зависимости от ее состояния при работе. Оно может быть сжатым или сжато растянутым.

Длина сжатой части, рассчитывается по формуле:

, м, (2.15.)

где: P – осевая нагрузка на коронку, даН;

q – масса 1 м труб, весом которых создается требуемая нагрузка на породоразрушающий инструмент;

r - плотность промывочного агента, кг/м³;

r_м – плотность материала труб, кг/м³;

qk – зенитный угол на конечной глубине.

, (2.16.)

где: I₀ – интенсивность искривления (0,03);

L – глубина скважины, м;

qk =75°+215∙0,03=81°;

м.

Таким образом, мы видим, что большая часть колонны находится в сжатом состоянии.

Расчет бурильных труб на прочность сводится к определению напряжений растяжения, сжатия, кручения, изгиба и суммарного напряжения. Рассчитанные величины сравниваются с допустимыми.

Расчеты ведутся для верхней части колонны, работающей в условиях растяжений, и для нижней части, работающей в условиях сжатия (см.рис.2.1).

Рис. 2.1

Величину напряжений в теле бурильных труб, вызванных этими нагрузками, допустимые напряжения, можно определить, зная величину и характер действующих сил, форму изогнутой оси колонны труб и условия их работы в скважине.

В подвешенной на участке скважины колонне, сечение I-I действуют напряжение растяжения, определяемые величиной собственного веса колонны.

В сечении II-II напряжение растяжения, могут возникать в аварийных ситуациях (подъем прихваченной колонны), хотя в процессе бурения этот участок колонны претерпевает нагрузки иного рода – напряжение сжатия.

а). Расчет верхней части колонны бурильных труб.

Нагрузка, вызывающая напряжение в верхней части колонны – вес бурильной колонны.

Напряжение растяжения (σ_p) при подъеме бурильной колонны (сечение I-I), с учетом сил трения, сопротивления определяется по формуле:

,Па, (2.17.)

где: G_п – вес бурильной колонны при подъеме, Н;

S – площадь поперечного сечения бурильной трубы, м²;

К_ПР – коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивления при подъеме, зависящий от интенсивности искривления траектории скважины и геолого-технических условий бурения, К_ПР=1,2;

G - вес бурильной колонны, Н;

q_СР – среднее значение угла искривления, град;

f = 0.3 – коэффициент трения.

; (2.18.)

где: a - коэффициент, учитывающий увеличение массы труб за счет соединений;

L – длина бурильной колонны, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

m – масса одного метра трубы, кг;

r и r_м – плотность очистного агента и металла труб, кг/м³.

G =1,05∙215∙9,8∙6,04∙(1-0,5/7,8)=12427,21.

м² ;

МПа;

Напряжение кручения (Па) определяется по формуле:

; (2.19.)

где: M_кр – Крутящий момент, возникающий при бурении, Н∙м;

W_P – полярный момент площади поперечного сечения труб при кручении, м³:

; (2.20.)

м³.

Крутящий момент:

M_кр=N/w, Н∙м, (2.21.)

где: N – мощность станка, Вт;

w - угловая скорость вращения бурильных труб, с^-1.

с^-1,

Н∙м, тогда:

МПа.

Суммарное напряжение от растяжения и кручения в верхней части колонны определяется:

(2.22.)

s_доп – допустимое напряжение при полном прихвате снаряда, для стали 36Г2С [ s_доп ]=686 МПа.

Условие прочности выглядит таким образом:

(2.23.)

Подставляя полученное значения, получаем:

102 МПа < 343 МПа – условие прочности выполняется. [ 2 ].

б). Расчет напряжений в нижней части колонны

Буровая колонна передает породоразрушающему инструменту осевую нагрузку и вращающий момент, вызывая напряжения сжатия и кручения, при этом под действием продольных и поперечных сил нижняя часть колонны приобретает изогнутую форму, и в ней возникают напряжения изгиба и кручения.

Напряжение сжатия определяется:

, Па, (2.24.)

где: С_ОС – осевая нагрузка, Н;

S - площадь сечения трубы, м²_.

МПа.

Напряжение изгиба определяется:

(2.25.)

где: Е – модуль упругости, для стали Е =2∙10¹¹ Па;

f – стрела прогиба, м;

l_КР – длина полуволны, при котором начинается изгиб трум, м.

м. (2.26)

Критическая длина l_КР (м) вращающихся бурильных труб, при котором начинается изгиб под действием центробежных сил:

,м (2.27.)

где: I – эквивалентный момент инерции площади поперечного сечения трубы, м⁴ :

м^4; (2.28.)

м;

МПа.

Напряжение кручения в нижней части бурильной колонны определяется:

; (2.29.)

; (2.30.)

где: кВт,

Нм;

МПа.

Суммарные напряжения в нижней части бурильной колонны определяется:

; (2.31.)

МПа;

Выбранная буровая колонна проверяется на прочность, с этой целью вычисляется коэффициент запаса прочности:

; (2.32.)

[s_T]=490 МПа – предел текучести материала труб, в данном случае стали 36Г2С,

;

5 > 1.6 – условие прочности выполняется.

в). Расчет бурильной колонны на выносливость.

Обычно расчет ведется для сечения 0-0, так как в нем возможны знакопеременные нагрузки, возникающие в результате действий инерционных сил.

Напряжение изгиба определяется по формуле, причем крутящий момент в этом случае равен 0,6 ¸ 0,8 M_Б, где M_Б=N_Б/w=28430/83,7=339 Н∙м;

М_кр=0,8∙M_Б=0,8∙339=271 Н∙м; (2.33.)

МПа;

МПа;

Запас прочности по нормальному напряжению составит (при s_P=s_СЖ=0).

_; (2.34.)

где: s_-1 – предел выносливости труб при изгибе;

s_-1 =0,4¸0,5 s, s_-1 =38,8 МПа;

К_Д – коэффициент учитывающий характер нагрузки, К_Д =1.

_;

Запас прочности при касательных напряжениях и постоянном крутящем моменте М_кр=const:

; (2.35.)

[t_T] – предел текучести при кручении, для стали марки 36Г2С [t_T]=0,5∙ s_Т = 122 МПа,

;

Суммарный запас прочности при совместном действии нормальных и касательных напряжений:

; (2.36.)

- условие выполняется.

Расчет, выбранной для работы, колонны бурильных труб СБТН-50 на “пиковые” нагрузки показал, что при условии полного прихвата бурового снаряда в скважине, все напряжения, возникающие в нем, не превышают предельно допустимых значений, что предоставляет возможность использования выбранной колонны при всех режимах бурения.

Дата добавления: 2015-12-08