Расчет бурильной колонны

При бурении на бурильную колонну действуют в основном следующие усилия:

• — осевое усилие растяжения от собственного веса колонны при подъеме ее от забоя;
• — осевое усилие сжатия от собственного веса колонны;
• — изгибающий момент, возникающий в результате действия центробежных сил;
• — крутящий момент, передаваемый колонной для разрушения горной породы на забое;
• — напряжение растяжения, вызванное прокачиванием под давлением бурового раствора.

В зависимости от возникающих усилий опасными могут являться:

• — верхнее сечение бурильных труб в момент начала подъема;
• — верхнее сечение бурильных труб при бурении (совместное действие растяжения от собственного веса и кручение);
• — нижнее сечение бурильных труб в месте резьбового соединения (совместное действие усилий сжатия и кручения).

Для расчета бурильной колонны на прочность необходимо знать нагрузки и возникающие в результате их действия напряжения в любом сечении бурильной колонны. Однако определить напряжения точно довольно трудно, так как бурильная колонна не является стержнем постоянного сечения вследствие наличия высаженных концов на трубах, бурильных замков и переводников, поэтому приходиться рассчитывать напряжения приближенно, а неучтенные силы компенсировать коэффициентом запаса прочности, устанавливаемым на основании опыта эксплуатации бурильных труб.

Однако определить напряжения с достаточной точностью довольно трудно, так как бурильная колонна не является стержнем постоянного сечения вследствие наличия высаженных концов на трубах, соединительных муфт, бурильных замков и переводников. Осложняется расчет напряжений и необходимостью учета гидростатических и гидродинамических сил, сил трения, возникающих при осевом перемещении бурильной колонны и при ее вращении в скважине, в других трудно учитываемых сил [20].

Расчет бурильной колонны на прочность при бурении винтовым забойным двигателем ДР — 95 в интервале 2680 — 3329 м.

Находим коэффициент, учитывающий Архимедову силу (коэффициент снижения веса бурильной колонны в буровом растворе), по формуле:

(2.7).

где — удельный вес бурового раствора, = 1,47 г./см³;

— удельный вес стали, = 7,85 г./см³.

Определяем допустимую растягивающую нагрузку для труб по формуле:

(2.8).

где — нагрузка, соответствующая пределу текучести материала труб БН73×9Д, тс;

n — коэффициент запаса прочности на растяжение.

При бурении винтовым забойным двигателем наклонно-направленной скважины, n = 1,56.

.

Найдем нагрузку от перепада давлений на долоте при бурении винтовым забойным двигателем по формуле:

(2.9).

где — перепад давлений, Р_n = 50 кг/ см² при бурении забойным двигателем;

— площадь поперечного сечения трубы, F₁ = 23,41 см².

тс.

Определим длину первой секции по формуле:

(2.10).

где — масса 1 м труб БН73×9Д, т/м.

Выбираем длину первой секции исходя из условия.

(2.11).

Принимаем согласно ГТН = 1379 м.

Проверочный расчет.

Определяем массу первой секции по формуле:

(2.12).

тс.

Определяем фактическую растягивающую нагрузку по формуле:

(2.13).

Определяем расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.14).

> 1,56.

Следовательно, колонна удовлетворяет заданному условию.

Расчет второй секции.

Вторая секция состоит из труб ПН89×9Д.

Определим допустимую длину секции по формуле:

(2.15).

где — допустимая растягивающая нагрузка для материала труб ПН89×9Д, Q_р2 = 90,8 тс;

— масса одного метра трубы ПН89×9Д, q₂ = 0,2 108 т/м.

Принимаем согласно ГТН l₂ = 1850 м.

Определим массу второй секции по формуле:

(2.16).

Определим фактическую растягивающую нагрузку для второй секции по формуле:

(2.17).

Определим расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.18).

1,53 > 1,5.

Требуемое условие выполняется.

Расчет третьей секции.

Третья секция состоит из труб ПН89×9Е.

Определим допустимую длину секции по формуле:

(2.19).

где Qр3 — допустимая растягивающая нагрузка для материала труб ПН89×9Е, Qр3= 123,8 тс;

q₃ — масса одного метра трубы ПН89×9Д, q₃ = 0,2 108 тс/м.

Необходимая длина равна:

(2.20).

где — глубина скважины по стволу, L = 3329 м.

Определим массу третьей секции по формуле:

(2.21).

Определим фактическую растягивающую нагрузку для третьей секции по формуле:

(2.22).

Определим расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.23).

1,98 > 1,5.

Требуемое условие выполняется.

Расчет бурильной колонны на прочность при бурении открытого ствола винтовым забойным двигателем 2Д — 76 в интервале 3329 — 3350 м.

Находим коэффициент учитывающий Архимедову силу по формуле:

(2.24).

Определяем допустимую растягивающую нагрузку для труб по формуле:

(2.25).

где — нагрузка соответствующая пределу текучести материала труб ПН60×7Д, тс;

Найдем нагрузку перепада давлений на долоте при бурении винтовым забойным двигателем по формуле:

(2.26).

где — перепад давлений, P_n = 54 кг/см² при бурении забойным двигателем;

— площадь поперечного сечения трубы, F₁ = 16,69 см².

.

Определим длину первой секции по формуле:

(2.27).

где — масса 1 м труб ПН60×7Д, q₁ = 0,1 054 т/м.

.

Выбираем длину первой секции исходя из условия.

(2.28).

Принимаем = 820 м.

Проверочный расчет.

Определяем массу первой секции по формуле:

(2.29).

Определяем фактическую растягивающую нагрузку по формуле:

(2.30).

Определяем расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.31).

4,73 > 3,0.

Следовательно, колонна удовлетворяет заданному условию.

Расчет второй секции.

Вторая секция состоит из труб БН73×9Д.

Определим допустимую длину секции по формуле:

(2.32).

где — допустимая растягивающая нагрузка для материала труб БН73×9Д, тс;

— масса одного метра трубы БН73×9Д, тс/м.

Выбираем длину первой секции исходя из условия.

(2.33).

Принимаем = 580 м.

Проверочный расчет.

Определяем массу второй секции по формуле:

(2.34).

Определяем фактическую растягивающую нагрузку по формуле:

(2.35).

Определяем расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.36).

3,71 > 3.

Следовательно, колонна удовлетворяет заданному условию.

Расчет третьей секции.

Третья секция состоит из труб ПН89×9Д.

Определим допустимую длину секции по формуле:

(2.37).

где — допустимая растягивающая нагрузка для материала труб ПН89×9Д, = 90,8 тс;

q₃ — масса одного метра трубы ПН89×9Д, q₃ = 0,2 108 тс/м.

Принимаем l₃ = 1850 м.

Проверочный расчет.

Определим массу третьей секции.

(2.38).

.

Определим фактическую растягивающую нагрузку для второй секции по формуле:

(2.39).

Определим расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.40).

1,55 > 1,5.

Расчет четвертой секции.

Четвертая секция состоит из труб ПН89×9Е.

Определим допустимую длину секции по формуле:

(2.41).

где Q_р4 — допустимая растягивающая нагрузка для материала труб ПН89×9Е, Q_р4= 123,8 тс;

q₄ — масса одного метра трубы ПН89×9Е, q₃ = 0,2 108 т/м.

Необходимая длина равна:

(2.42).

где — глубина скважины по стволу, L = 3350 м.

Определим массу четвертой секции.

(2.43).

.

Определим фактическую растягивающую нагрузку для четвертой секции по формуле:

(2.44).

Определим расчетный коэффициент запаса прочности на растяжение по формуле:

(2.45).

2,06 > 1,5.

Требуемое условие выполняется [20].

Параметры бурильной колонны сводим в таблицу 2.6.

Таблица 2.6. Бурильная колонна по секциям