Материал: Трубы нефтяного сортамента

Скачать

Заказать новую работу

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

3 --=-::-:--

Кривые построены для различных длин

ношение Л=l/у El /q1g.

1

 

УБТ, которые даны в безразмерных величинах л= {1Л. в приведен­

ных зависимостях: Рнр - критическая

нагрузка, приложенная

к

нижнему концу колонны, Н; q1 - масса

1 м нижней секции, кг/м;

[1 - длина нижней секции, м; [ - общая длина УБТ, м; El 1 -

мо­

мент инерции площади сечения труб нижней секции, см4 .

 

Значению л= О соответствует критическая нагрузка для колон­ ны, состоящей только из труб верхней секции. В зависимости от л

~

и Л определяют П и РRр=ПVEltq~.

Для двухразмерной конструкции УБТ длину нижней секции сле­

дует принимать ~O,5 l (см. рис. 4.2).

Устойчивость при кручении

Для колонны с опертыми концами, сжатой (растянутой) сила­

ми собственного веса, крутящий -момент, при котором колонна те­

ряет устойчивость прямолинейной формы, определяют (в Н· м) из

выражения

М

1/

4 л;2(ЕI)2

=t 2 qlgEI.

(4.4)

_ r

[2

Знак минус соответствует сжатой колонне.

Как видно из уравнения, собственный вес колонны уменьшает

критическое значение крутящего момента.

Для растянутой колонны критический момент вначале уменьша­

ется с увеличением длин~, однако, если длина колонны больше

lтах= 113 (4 л;2Е f потеря устойчивости будет наблюдаться на дли-

--qg-'

не ~lmax, а остальная часть колонны сохранит прямолинейную форму под действием собственного веса. Для труб, применяемых

при бурении, критический момент при длине lшах превышает дейст­

вующие моменты, поэтому колонна в растянутой части не теряет устойчивости под действием крутящего момента.

Устойчивость при вращении

в процессе бурения вращающаяся бурильная колонна в отличие от холостого вращения будет иметь как растянутый, так и сжатый участки, на которые действуют центробежные силы.

Критическую частоту вращения колонны находят (в об/мин) из

выражения

n = 30 т ""lI {_1 (Е f т2 л;2

+ Р + о 5

g q

1)

,

(4.5)

[

У

q

[2

- - ,

 

 

где Р -

концевая сила, Н; [ - длина колонны, м.

 

Знак плюс относится к растянутой части колонны, минус - к

сжатой. При больших значениях т, соответствующих применяемым

в практике частотам вращения ротора, пренебрегать жесткостью

136

сечения Е/ нельзя. При малых значения т и большой длине l мож­

но принять Е/ =0.

Частота вращения, при которой произойдет потеря устойчивости

на коротком участке между бурильными замками (/Т), определяет­

ся (в об/мин) по формуле

n = 30 л;

l! Е/

(4.6)

1;

J' q

 

В процессе бурения при вращении колонна, потеряв устойчи­

вость, образует полуволны, длина которых определяется по форму­

ле Г. М. Саркисов~

 

 

 

 

 

L =

10

,.!

0,5 z +

V

2' Е1 ro~

,

(4.7)

~

у

 

0,25 z +

10~ q

 

где Е -

модуль упругости,

Н/м2 ; / -

момент инерции сечения, м4 ;

q -

масса 1 м трубы,

кг/м;

z -

координата того места колонны,

где определяется длина полуволны (для растянутой части эту ве­ личину нужно принимать положительной, для сжатой - отрица­ тельной; отсчитывать следует от плоскости 'раздела сжатой и рас­ тянутой частей), м; (t) - угловая скорость, м/с2 •

Устойчивость при воздействии бурового раствора

Потеря устойчивости колонны возможна при спуске колонны с обратным клапаном, установленным над долотом, когда q для не­

которых размеров труб может быть меньше qи.

Если

q<qll,

а qв~l(qн-q)/(/-lо), то потери

устойчивости

не произойдет

(qH - масса 1 м жидкости, вытесненной колонной,

кг/м; qB -

масса 1 м жидкости внутри колонны; [о -

расстояние от

устья скважины до уровня жидкости в колонне, м).

Если q<qп, а l(qh-q)/(l-lо»qв~l(qн-q), то

потеря ус­

тойчивости произойдет при критической длине

 

[кр -- r З~ qB g (I-lo)

+ т JV

Е/

,

(4.8)

. у Е/ [(qи-q) g]2

 

(qи-q)

g

 

где т определяется при следующих значениях:

n

 

. . . . .

 

О

0,1

0,3

0,5

1

2

3

т

......... 1,981,99

2,02

2,07

2,22

2,32

2,34

n =

(/-/0)

V g (qи-

q)

(_q_B-

- 1) .

 

 

 

 

 

 

 

Е/

 

 

• qи- q

 

 

 

 

 

 

Если 10=/, т. е. колонна не заполнена жидкостью, то

 

 

[кр

= 1,98

V g

( Е/

 

)'

 

 

 

 

 

(4.9)

 

.

qи-q

 

 

 

 

 

 

 

 

При отсутствии обратного клапана I[q> (qH - qR)]

колонна, по­

груженная в жидкость, устойчивость не теряет.

5 Зак. 471 .

137

- действие движущейся жидкости на колонну отличается от рас­

смотренного влияния гидростатических сил, создаваемых весом

столба жидкости. Внешнее РН и внутреннее РВ избыточные устьевые

давления не оказывают влияния на устойчивость KO.'IOHHbI, если дав­

ление действует на замкнутую поверхность трубы.

При выходе из колонны жидкость не ограничивается З,НliШУТОЙ

полостью. В этом случае при определенных условиях КО.l0нна мо­

жет потерять устойчивость, искривляясь в основном В нижней части

над долотом. Критические значения перепада давления при выхо­

де жидкости из колонны определяют из выражения

k VEI [(q-qж) g-dкFи-dт Fв]2

(РО)КР = -~-----------­

(4.10)

Fo

 

Для свободно подвешенной колонны при k = 2,55 происходит по­

теря устойчивости с переходом в режим движения; для колонны,

опирающейся на забой, потеря устойчивости произойдет при k=

= 1,94 с переходом к смежной форме равновесия.

устойчuвость в общем случае нагруженuя.

Для общего случая нагружения критическая нагрузка от собст­

венного веса с учетом переIIада давления и скорости движеЕИЯ бу­

рового раствора

РКР

 

 

 

 

 

= (1,94-3,55)

VBI[(q-qж) g-/).TFB -/).KFH]2 -

-

Ро ро- ~

(рв

v~ +рк v~),

 

 

 

 

(4.11 )

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где q, qж -

масса единицы длины трубы и масса жидкости, кг/м;

/).Т,

/).И - потери давления жидкости на единице длины колонны в

трубах и кольцевом пространстве, Па/м; рн и рв -

площадь трубы

по наружному и внутреннему диаметрам, м2 ; Ро -

перепад давле­

ния

в долоте,

Па; ро - площадь

проходного отверстия, м2 ; Уж-

удельный вес жидкости, Н/м3; V B ,

VИ - скорость жидкости в трубах

и

кольцевом

пространстве, м/с;

Fи -

площадь

кольцевого сече­

ния,

м2 •

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Критическая частота вращения колонны для общего случая на­

гружения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =

30 т

.. /

( т2 n2 EII

+ Р_

Р

+ о 5

l

)_1

 

 

 

 

1

V

 

[2

 

-

0 - '

q g

q'

 

 

где

РО = Роро + [(уж + /).к) рн - (Уж - /).т) рв] _l_ + УЖ

2

10

длина полуволны изогнутой колонны при вращении

L =

~ .. / о 5 А + Vo 25 А2+ Е1 (()2

.

(() ,V'

,

102 q ,

(рв v2 + рк v2 ) .

в к

(в м)

(4.12)

138

где

А=г- l~:q (FBV~+FKV~)- ~oo:o -[('УЖ + PiK) рн -

_ ('У

_ 12) р]

[о + z .

ж

1

в

10 q ,

10 -

длина сжатой колонны, м; ,Z ~ координата того места ко­

лонны, где определяется длина полуволны (для растянутой части

значение .г следует принимать положительным, для сжатой - отри- .

цательным), м; РК, РТ - потери давления в колонне и затрубном

пространстве, Па; q - масса 1 м трубы, кг/м; 'Уж - удельный вес

жидкости, Н/м,З.

С ростом скорости движения и давления бурового раствора дли­

на полуво.'IНЫ уменьшается.

Разность в длинах полуволн, определенных по формулам (4.7)'

и (4.12), увеличивается с приближением к устью скважины.

Нагрузки и напряжения

Растяжение и сжатие

Статические напряжения. В вертикальной скважине осевые на­ пряжения в колонне, подвешенной в жидкости, определяются (в

Н/м2) из выражения

g (QT + а) (1- ~)+ Qбg ( 1:-- ~)

()"=

 

F

 

(4.13)

 

 

 

 

где QT -

;\IaCCa УБТ, кг; Qб -'масса бурильных труб в колонне, кг;

G - масса долота и забойного двигателя, кг; 1б -

длина буриль­

ных труб

(без УБТ), м; [х -

расстояние ОТ начала бурильной ко­

.ТIOнны (без УБТ) дО рассматриваемого сечения, м;

'Уж - удельный

вес бурового

раствора, Н/мЗ ;

'у - удельный вес материала труб,

Н/мЗ; F -

площадь сечения труб, м2•

 

Из (4.13)

следует, что при 1х/lб<'У*/У в нижней

части буриль­

ной колонны будет сжатый участок. Наличие УБТ существенно

уменьшает сжимающие напряжения в бурильных трубах. Наибольшие растягивающие напряжения действуют у устья

их= lб). с достаточной для практических расчетов точностью наи­

большие растягивающие напряжения для колонны в вертикальной скважине определяются (в Па) из выражений:

а) для колонны в подвешенном состоянии при отсутствии движе­

ния раствора

Ор =

(Qб+Qт+G) g(l-уж/у)

(4.14)

 

F

 

5* Зак.

471

139

б) для колонны в подвешенном состоянии в пр6цессе движения бурового раствора

 

r

1 (

~K+~T)

1

 

 

Уж+~к+ -Р-

РПJg+рп (РП-Р'1'>+(Рт- РО) Pu

 

(Qб+Qт+G) L1- У

~=

 

,

Р

t

 

 

(4.15)

 

 

 

 

где L1т, L1н - потери давления в трубах и кольцевом пространстве на

длине 1 м, Па/м; РП - площадь проходного канала трубы, м2 ; Рп­

перепад давления на турбобуре, Па; РТ - площадь канала вала

турбобура, м2 ; F o - площадь промывочных отверстий ДО.10та, м;

Ро - перепад давления на долоте, Па.

 

 

С учетом упрощения выражения (4.15) ар определяется

(в Паl

из

выражения

 

 

Qp

k (Qб + QT + О) (1- ~ж) g + (Рп+ Ро) РП

 

О'р

= -

= --------'----'---'-----.----

(4.16)

 

F

Р

 

где k -

коэффициент, учитывающий влияние сил трения,

сил со­

противления движению бурового раствора и сил инерции, принима­

емый 1,15.

Приближенно величина ар может быть определена (в Па) ш

формулы

О'р= l,15ko (У-Уж) 1,

(4.17)

где 1 - вся длина бурильной колонны; ko- коэффициент, учитыва­

ющий влияние бурильных замков и высаженных концов труб. Для

стальных труб принимается ~. 1,1.

Если колонна составлена из труб с разными материалами (лег­ косплавные и стальные), то (4.16) определяется по формуле (в Па)

k(Qт+Qб+G)(I- Уж)g+kQа(l_ Уж) g+(рп+ро) Ре

О'р=

Уа

Уа

• (4.18)

 

р

 

 

где Ус -

удельный вес стали, HjM 3; Уа -

удельный

вес алюминие­

вого сплава, Н/м3; Qa - масса труб из алюминиевых сплавов, кг.

Наибольшее сжимающее напряжение в подвешенной колонне

будет при отсутствии перепада давления в сечении lx=O при усло-

вии

Уж

Уж

(QT+G) (1- --)<,Qб--. в процессе бурения часть веса ко-

 

'v

'v

лонны передается на забой, растягивающие напряжения уменьшаются, а сжимающие увеличиваются. Тогда наибольшие сжимаю­ щие напряжения (при условии соблюдения указанного выше нера­ венства) можно определить из выражения

ag [(Qt+G)(I-~)-Qб ~J-Qд

О'с =

(4.19)

Р

140

Смотрите также:

+++P-5-2014_мед ПК и ПО подростков
12. Dignity
1284
14.Сердечно-сосудистая система
156
1949
2489
273
3796
ats_ShPORY