книги / Трубы нефтяного сортамента

,где QiI, - осевая нагрузка на долото, Н; а - коэффициент, учитыва­

ющий уменьшение эффекта облегчения веса бурильной колонны в

растворе при соприкосновении долота с забоем за счет площади

контакта долота (а< 1).

Наибольшее растягивающее напряжение (в Па) в бурильной ко­

лонне в наклонно-направленной скважине определяется из выра­

)кения

k (g Рв+ Ри+ Ри+ РТ) (1 -	Уж)+ Fп (Рп +Ро)
ар =	У I	(4.20)
	~~-----------

F

где Рв - масса вертикального участка колонны, кг; Ри - уси.lие,

обусловленное силами трения и собственным весом колонны на ПРЯ:'IOЛIНейных наклонных участках скважины, Н; Ри - УСiIлие, обус.l0вленное силами трения и собственным весом колонны на участках увеличения или уменьшения угла наклона скважины, Н;

рт - усилие, создаваемое в колонне утяжеленными БУРИ.1ЬНЫМИ

трубами и забойным двигателем на нижнем прямолинейном участке

скважины,			Н:
	т
Ри =~ Qиi g (l-1i sin а; + cos ai),										(4.21)
	1
где Qиi -			масса i-ro наклонного участка бурильной колонны; ~H­
коэффициент трения труб о породу					(1-1 = 0,15--:--0,35);		ai -		угол на­
клона скважины на рассматриваемом участке						(для	веРТlIка.ТIЬНОГО
участка а=О); т -				число наклонных участков;
	n
Ри =	~ ~ti I ± 2qi gRi (соsаiк-соsаiи)- qi gRi ~a; sin aiK									±
	1
										(4.22)
где q~ -		масса 1 м колонны на рассматриваемом участке, кг/м; R,-
радиус		кривизны		участка, м;
										(4.23)
ЩИ, Щи - углы наклона в начале и в конце участка; P i -								УСИ.lие на­
тяжения колонны в конце рассматриваемого участка,								Н;	n -	чис­
ло искривленных				участков.
В формуле (4.22) при уменьшении угла наклона скважины при­
нимают знак плюс, при увеJIИчении -					минус. В	расчетах принпма­
ются	абсолютные значения ~ai и слагаемые					выражения (4.22):
Рт =	g (QT + О) (~tn sin ап + cos ап) ,									(4.24)

где I-1л, ап - коэффициент трения и угол наклона на нижнем пря­ молинейнам участке.

Если на рассматриваемом участке колонна состоит из неСКО.1ЬКИХ

секций, то Ри и Ри определяют для каждой секции, а затем сумми­ руют. СИЛЫ сопротивления колонны для разных случаев рассг-лотре­ ны М. ~\1. Александровым.

141

Если Рн, Ри, рт меньше собственного веса колонны на рассмат­

риваемых участках, то при расчете по формуле (4.20) сумма эта

пршшмается равной весу бурильной колонны. . Динамические напряжения. В процессе торможения бурильной

колонны при спуско-подъемных операциях возникают инерционные

нагрузки, связанные с изменением скорости движения колонны.

Наибольшие напряжения у устья скважины с учетом динамических напряжений определяются из выражения

	Е д v	V	QT		(4.25)
(J = О'ст + _.-а-		1 + Qб '
где	аст - статическое		напряжение	в подвешенной	колонне, Па;
ди -	изменение	скорости движения		колонны, м/с2 ;	а - скорость
звука в ~еталле, м/с (для стали а=5000); Qб - масса колонныI бу­
рильных труб, кг; QT -			масса утяжеленных труб, кг.		В формуле

,(4.25)

Q'l<Qб.

ЕС.1И колонна движется со скоростью v и ускорением w, то после ее мгновенной остановки наибольшее напряжение

(J = О"ет I	-- + --- .
I	Ev	EWl
	а	а2

Кручение

Касательные напряжения действуют по всей длине бурильной колонны. Неравномерная подача энергии и неравномерное ее по­

глощенпе колонной приводит к изменению крутящего момента в

процессе вращения, что, в свою очередь, влечет за собой ускорение

изамедление вращения и, как следствие, возникновение колебаний колонны. На бурильную колонну передаются как статические, так

ипере~!енные моменты.

Среднее значение крутящего момента определяется (в Н· м) из

выражения

			B			и	д
	М = 9550 . N			+ N + N					(4.26)
					n
	Мощность			(в кВт), расходуемая на холостое вращение сталь­
	ных труб в вертикальной скважине,
	N B = 13,5.10-8 Id2 n1 ,5 DО~5уж,								(4.27)
	где l -	длша колонны, м; d - диаметр бурильных труб, м; D -							диа­
	метр скваж:ины, м;						n - частота вращения колонны, об/мин;		1'$-
	удельный вес раствора, Н/М3•
	Мощность			(в кВт), расходуемая на вращение колонны на					изо­
	fHYTOJ\!	участке:
		2n
				V Е/О/р ,
	Nи =---
		9550R

142

где Е! - жесткость сечения, Н· м2 ; G - модуль сдвига, Н/м2 ; I p -

полярный момент инерции, м4 ; R - ра~иус искривления, м. Мощность (в кВт), расходуем,ая на разрушение породы [форму•

.;1 а, предложенная фирмой «Юз» (США)]:

				(4.28)
где Dд -		диаметр долота, мм; Q-		осевая нагрузка на долото, KH~
с -	коэффициент		крепости пород	(мягкие -7,8; средние - б,9;
твердые -		5,5) .
	Касательные напряжения в колонне (в Н/м2 ) рассчитываются
по	формуле
_n5БО Nв+Nн+Nд				(4.29)
'{-~		W	'
		р
где	Wp -	полярный момент сопротивления сечения трубы, м3•
	Для ведущих труб касательные напряжения определяют в зави..

симости от формы сечения труб. Для ведущих труб квадратного се­

чения наибольшие напряжения (в Па) действуют на наружной по­

в~рхности трубы в середине квадрата (формула Г. М. Саркисова и Ю. А. Амен-заде).

'{			=		О,6Мкр
	тах			-=-[1-_-О-,-7-(-~-"-:--)4;-::]-а-з-
где r				-	радиус канала трубы, м; а -
м;		Мкр -			крутящий момент, Н· м.

(4.30)

половина стороны квадрата,

Динамические нагрузки возникают при заклинивании ДО.l0та и остановке конца бурильной колонны. Примерное значение дннами­

ческого напряжения (в Н/м2 )

• = 1,2.107 u1 d,	(4.31)
где d - диаметр 'iрубы, м; (i) -	угловая скорость.

Изгиб

Изгибающие напряжения возникают как в вертикальной, так и

в наКЛОНiю-направленной скважине и связаны с различными при­

чинами, вызывающими ее искривление: вращением колонны, сжа­

тпе:\1 колонны усилием, превышающим критическое значение; ис­

кривлением ствола скважины; искривлением бурильной колонны

при бурении с плавучих средств, связанным с перемещение:\1 судна

ивлиянием водной среды.

взависимости от условий работы бурильная. колонна может

вращаться вокруг собственной оси или вокруг оси скважины. Ха­

рактер вращения определяется затрачиваемой при этом энергией. А. Изгибающие напряжения в вертикальной скважине рассчиты.

вают из выражений:

переменные напряжения
(Jа=л2 Е Jf/2 L2W;	(4.32)

143

постоянное напряжение
От = ,,2	Е 1 f/L2W или ат = 2аа •	(4.33)
Стрела прогиба колонны (в м)		в скважине {= (D CHB - Dз)/2.
Длина полуволны L определяется по формуле (4.7).
Б. Изгибающие напряжения при вращении колонны на искрив­
ленных	участках
Оа = Е I/RW,		(4.34)
где R -	радиус искривления; W -	осевой момент сопротивления

опасного сечения. Напряжения аа являются знакопеременными. Если колонна не вращается, то изгибающие напряжения постоянны

иравны:

	(Jи = Е I/RW .									(4.35)
	Радпус		искривления				скважины
	R=----:::-;~=o:::====::=====:==:::;::=======:==­									(4.36)
		V 2 (1 -		sin б1		sin б2	cos ~ - cos б1	cos ( 2 )
!	где 61,	62 -	углы наклона в начальной и конечной точках рассмат-
	ривае~юго участка длиной 1; ~ - разность								азимута.ТIЬНЫХ углов		в
	тех же точках.
	Напр.'iжение в трубах, подвешенных в клиновом захвате
	Осевая нагрузка (вес колонны),							при	которой	напряжения	в
	трубе достигают предела текучести, определяется									(в кН) из выра­
	жения [14]
										(4.37)
	где F -		1 +		4 1 tg (а + <р)			ат -
		площадь сечения трубы, м2 ;							предел	текучести мате­
	риала трубы, N\Ла; аср -						средний	диаметр трубм, мм; 1 - длина
	соприкосновения клина с трубой, мм; с -								коэффициент, учитываю­
	щий неравномерное распределение удельного давления по окруж­
	ности	трубы:
	с = ( ~6~)Y~m-l									(4.38)
	где ~ -	угол охвата трубы плашками одного клина, градус, m-
	количество кш!Ньев.
	ФорУ!ула (4.37) применима при сзО,7 и
	4' -----					,..
	V 3 (1-f-t)2[			3						(4.39)
	V7R			2

144

втабл. 4.1 приведены

предельные нагрузки для

бурильных колонн, ПОд'ве­

ше:нных в клиновом захвате,

полученные для а= go27'45"

(уклон 1:6), tg (а+<р) = 0,4

и с= 1. В зависимости от ти­

па захвата изменяIO"f\CЯ ве­

личины с и 1.

Коэффициенты запаса

nрочности

к.оэффицИ{~нты запаса

прочности при растяжении

n = ат/ар приводятся в табл.

4.2

для колонны, подвешен­ ной в клиновом захвате:

(4.40)

Для труб с ат<650 МПа наи~еньшее значение n= 1,1, а для труб с aT~650 МПа n= 1,15.

При совместном дейст­

вии нормальных и касатель­

ных напряжений

n =	ат	• (4.41)
	у(ар + Cfи)2 + 3.2

Запас прочности для бу­

рильной колонны, находя­

щейся под действием как

переменных, так и постоян­

ных напряжений, определя­

ется из зависимости (фор­ МУ.1,а А. Е. Сарояна)

n=

(4.42)

где (а-l) Д - предел вынос­

ливости трубы при симмет­

ричном цикле изгиба (табл. 4.3); ав - предел прочности;

<Тр - напряжение растяже-

::

00000

00000

"<I'<OC")O)"<I'-(,O"t:t'-oo

C")t--O)C'/<O "<I'ooo.... t--

~--C"IC"I --C'/C"IC"I

s

00000

0000·0

C"I-t--O)-

O)ct---I.Q

<:'I<Ot--О"<l'

C"It--ОО<:'l1.Q

о

---C'\IC\I ---C"I<:\I

::!:

00000

00000

с>

-<000)00

t---~фО_

-----

---~C'\I

~c.ooo

-tQ~оС''')

00000

00000

00

о) о C")O)I.Q

LCОО-О)Ф

Q),;:з ::: ~ ~

----C\J

-

о C")LC t--o

s

00000C"IOOC")<:\I<:\I

~gsg~

"<I'Фо)<:'I

-LCt--ОС'')

----C"I

---<:\1<:\1

00000 00000

с>

C\I~OO~-

t---LCC")-

oC") .... t--о

O~LCOO-

....

---- <:'1----C"\f

~

00000

00000

00

-о<:'lФО

ФФО)'<t'О)

::s

~~~~~ О)~:З~~

:1

::s

....

00000

:1

=~-

00000

0<O<Ot--0о

LC-C\l"<I't--

:>.

.,

----

--.....:..-

.g

ID

OOO С")lC

ОО-<:\I'<t'Ф

-

!:;

со

...

..

00000 00000

со

...,

=

C'\t~--c

t--C") о) о) О

s'

----

----

..::s

>;

::

C"I

C'I

=

"<I'ФО) <:'1

lCфО)С'')

1::(=

~I

s

00000 00000

<:'I'<t'OOLC<:\It'---U')C'I")

-

OC")"<I't--О

O'<t'lCOO-

I

----C'J----С'!

I

00000

00000

::!:

с>

C")<:\I"<I'o)C") t--оооф-

-

O)~~~~ O)~:::~~

00000

00000

со

С")О) О <:\I'<t' t--"'I'<OOO-

OOS~::!:~

oo=~::t!:::

....

00000

00000

С")ФФlC"'I'

(' -0 ...-- _-- 4

-

I'-o)::~:!: k'-З:::~!:2

::

00000 00000

ООфОО-"<I' -О<:\lФО

oo=~~~ Ф~~~~

00000 00000

с>

"'I't--t--фф

1'-.-...................

~фз~:!:

I'-~=~~

со

:-

""

-~

....

~~g8~

з8~оg

~

::

tQ~ооз::

<ОООООЗ~

'"

.....=

;;.,

с:

=

-..;.

...

Q,

и

'"

~g~

I::{~UJJ:::::;:

I::{~UJJ:::::S

==

t[t

u

r:::

:а

==..о

::s

'" u

::1'

о;

.. :1

::

U

'"

О

С

о

с

о;

~

=.;

....

Q,

1::(=

\Q

>;'"

С")

'"

:.:

1-

е

>;

145

ТаБЛllца 4.2
Скважина	Бурение забойными	Вращательное бурение
	двигателями

	Вертикальная															1,3/1,35													1,4/1,45
ffаклонно-направленная																1,35/1,4													1,45/1,5
	При" е ч а н н е.							В	чнслнтеле			даны				значения для						нормальиых					условий				бурення.			з!'а­
	менате"е - для осложненных.
	ТаБЛllца 4.3
	Пределы выносливости бурильных труб (МПа)
		IТрубы по					ГОСТ 631-75					с						Трубы по							Трубы			с	при-		'FРiYбы нз алю·
				резьбой треугольного											ГОСТ 731-75					со			ста-			вареИВЫIIИ					миииевых
																билизирующим							по-
	Диа-	I				профиля																			замками ТБПВ						сплавов
																яском - ТБВI(
	метр
	'Труб
				Д		IК (36Г2С) 'Е (38ХНМ)										д 1· 1( ~				1			Е			Д	I		1(		Д16Т I 1(-48
																																1953.
50			80				-			-						-			-			-							-	-			-
<30			-																						100
73			75				65			-						140			140			150			-				-	50-56			-
89			75				60			-						-			120			-			-				-	-			-
102			-				-			-						-			110			120			-				-	-			-
	Н4		70				60			80						140			110			120			100				90	43-52			-
127			-				-			-						-			100			110			100				90	-			-
140			70				60			80						-			100			110			100 .				90	-			-
	J47		-				-			-						-			-			-			-				-	36-46			40
	Пр н м е ч а н и я:						1.		Пределы			выносливости							даиы			на основании						усредненных				данных
	I!спытаниЙ. проведенных в АзНИПИнефти. ВНИИБТ.																					ВНИИТНефти						и	ФМИ АН				УССР.
	2. Предел выносливости для трубы диаметром 50																				мм по					ГОСТ	7909-56				приведен				по
	данным СКБ J3по «Союзгеотехника».
	ния;	аа -			аМlплитуда переiМенных														наri.ряжениЙ изгиба;												О"т -			по-
	стоянное				напряжение изгиба.
	Запас прочности В нейтральном сечении вертикальной колонны
	~верхний конец сжатого участка УБТ) при О"р=О
а=						(O"_I)A																								(4.43)

ЗначеНИЯ"(Jа И О"т определяют из (4.32)" и (4.33). На искривлен­

!Ных участках наклонно-направленных и- вертикальных скважин при

бт=О

		(O"_I)A
	(O"_l)A -	О"В
8=			(4.44)

Значение О"а определяют из (4.34). У нижнего конца бурильной

:КОЛОННЫ над УБТ Ор=О, тогда

(4.45)

Коэффициент запаса прочности по формулам (4.42)- (4.45) дол.. жен быть n~ 1,5.

Величины (О-I)Д дЛЯ труб, приведенные в табл. 4.3, получены

при натурных испытаниях.

Методика расчета колонн

Методика расчета утяжеленных труб

диаметр УБТ определяют из условия обеспечения наибольшей жесткости труб при изгибе с учетом конструкции скважин и усло­ вий бурения. Длину ~ЪT определяют в. за-висимости от нагрузки на

до.'IOто.

В табл. 4.4 приводятся рекомендуемые соотношения диаметров

ДО.l0Т и УБТ согласiю РД 39-2-411-80.

Жесткость наддолотного участка УБТ должна быть больше же­

сткости сечения обсадной колонны, под которую ведется бурение. В

табл. 4.5 приводятся соотношения диаметров обсадных труб и наи­

меньших диаметров УБТ, удовлетворяющих указанному условию.

Отношение диаметра бурильных труб, расположенных над УБТ,

к диаметру УБТ должно быть ~0.7. Если это отношение <О,7•

то комплект УБТ должен состоять из труб нескольких диам~тров.

Таблица 4.4

Соотношения диаметров долот и УБТ

	Диаметр.	мм
долота	УБТ	долота	УБТ

139,7-1461		114			269,9		229
		108					203
149,2-1611		121-139			295,3		245
		114-121					219
165,1-1133-146					320		245
171,4		121-133					229
187,3-200,		159	I		349,2		254
	I	146		I			229
212,7-	I	178			~374,6		273
228,6		159					254
244,5-		203
250,8		178				I
При м е ч а н и я:			1.		В верхией		строке
приведено	зиачение		диаметра			УБТ	для
нормальных	условнй		бурення. в			ннжне!!­

для осложиенных.

2.В осложненных условиях при буре­ нии долотами диаметром свыше 250.8 ММ

допускается применение УБТ ближайшего меиьшего диаметра с одновременной уста­

новкой опорно-центрнрующнх устройств.

3.При буреиии забойными двигателя­

ми ДHa~eTp НИЖllей секции УБТ должеи

быть не более диаметра двигателя.

уменьшающихся в направл,е­

нии к бурильным трубам. При

этом диаметр первой ступени

должен соответствовать табл.

4.5, а отношение диаметра по­

следующей ступени к преды-­ дущей должно быть ~ 0,8.

Таблица 4.5

Диаметры обсадных труб и УБТ

Диаметр. мм

	трубы	I УБТ		I обсаднойтрубы		I УБТ
	обсадиой	I
114			108		245		203
127			121		273		203
140-146			146		299		229
168			159		324-339		229
178-194			178		351		229
219			178		377		254

141

Ддина комплекта' УБТ, состоящего из труб одного диаметра:

10 = (1,2-1,25) ~ ,	(4.46)
gqo
где Q - нагрузка на долото, Н; qo - масса	1 м УБТ в растворе,

кг/м.

Общий вес комплекта УБТ, состоящего из труб разных диамет-

ров, должен быть Qlll+q2l2+ ...+lnqn= (1,2-1,25).9... Если Q>PIiP g

<4.1), на сжатом участке УБТ рекомендуется устанавливать про­ межуточные опоры профильного сечения (см. гл. 2).

Резьбовые соединения УБТ должны быть свинчены с момента-

31и, приведенными в гл. 5.					Наиболее		опасные напряжения	дЛЯ
УБТ -	знакопеременные изгибающие						напряжения, определяемые
по формулам (4.32)				и (4.34),		или, выразив R=573/ao, где ао -		ин­
теНСIIВНОСТЬ искривления на 10м, получим условие прочности дЛЯ
УБТ
'1:2 Elf	(О'_I)Д			Elao	-<	(О'_I)Д
2 L2 W	-<	1,5	и	573 W		1,5	(4.47)
Так	как	W (0'-1) д представляет собой предельный изгибающий

момент при натурных испытаниях, то условия прочности могут быть

записаны в виде

л;2 Е I f	-<	Мпред	(4.48)
2 L2		---т,5
и
Е I ао -< Мпред			(4.49)
573		1,5

Испытания по определению Мпред проведены во ВНИИБТ.

Расчет напряжений в УБТ следует проводить в качестве конт­ рольного при бурении на искривленных участках или с большой ча­

стотой вращения. Из (4.48) и (4.49) при известном Мцред опреде­

;Ляются (ао)тах, fmax и !'mln.

Методика расчета бурильных труб

р а [с че т п р Iи б уIP е н и и . з а б о й н ы м и Д в и г а т е л я м и

В процессе расчета определяются либо напряжения в трубах,

либо длины секций по допускаемым нагрузкам.

Одноразмерная колонна для вертикальной скважины. Допуска­ емая глубина спуска односекционной колонны (в м)

Q~I)-I,15g(Qт+G)(I- ~Ж)-РпFп

/1 =	(4.50)
	1,15 ql g (1 _ "; )
Q~I) = О'т Р1	= ~ ,
n	n

148

где Q~')- допускаемая растягивающая нагрузка на трубы; Н; Рп-'"

перепад	давления	в забойном	двигателе и долоте, Па; Q, - пре­
дельная	нагрузка на трубу, Н;		Р, - площадь поперечного сечения
трубы, м2 ; QT+G -		масса УБТ и забойного двигателя, кг.
Общая длина колонны 1= 10+1, (10 - длина УБТ и забойного дви-
гателя).			.

Для одноразмерной многосекционной колонны, составленной из труб разных толщин и групп прочности, длина первой (нижней)

секции (в м)

Q~') -	1,15 g (QT + О) (1 - У;)- Рпрп
11 =	(4.51)
	1, 15 ql g (1 - У;)

Длина второй секции (в м)

J =		Q(2)	_	Q(l)	(4.52)
	----~p~~~p~~--
z		1,15q~g(l- ~ж)
	Длина n-й		секции (в м)
		Q(n) _	Q(n-')
"3 =	-----'р'-----.,--=--р-----.,,............				(4,F)'Ч
		1,15 qn g	(1 - У;)
где q"		Q2, ... ,qn -		масса 1 м труб	каждой секции, кг/м; Q~, Q~ ,...,
-Q~	-	допускаемые растягивающие нагрузки для труб каждой сек­

ции, Н/М.

двухразмерная многосетщионная колонна, состоящая в верхней

части из труб большого диаметра. Длины секций 1 (нижней) сту­ пени двухразмерной колонны определяют по формулам (4.51)-

{4.53).

Длины секций 11 (верхней) ступени определяют (В м) из выра­

жений

(m+l) _	Q(m) _ р	р'
Qр	р	п п	(4.54)
1		~ж)
. m+' = 1,15 Qm+' g (1 _

Q(m+2) _ Q(m+')

(4.55)

149

Напряжения в бурильной колонне для вертикальной скважины

рассчитывают по формулам (4.16), (4.25), (4.32), (4.33).

Для колонны в наклонно-направленной скважине напряжение в

каждой секции определяют по двум расчетным схемам.

1. Секция находится под действием как веса расположенной

ниже части колонны, так и сил сопротивления ее движению на

искривленных и наклонных участках.

2. Секция находится только под действием веса расположенной

НJIже части колонны (предполагается, что скважина вертикальная) _,

Расчет при бурении роторным способом

Расчет производят на статическую прочность и выносливость. Для вертикальных скважин на выносливость рассчитывают

нижние секции колонны, расположенные над УБТ на длине ----20о.м.

Переменные и постоянные напряжения изгиба определяют по формулам (4.32), (4.33) для сечения z=O, а коэффициент запаса прочности - по формуле (4.43).

Для наклонно-направленных скважин расчет на выносливость

проводят для всех труб, расположенных ниже начала искривления.

Для нижней секции (z=O) напряжения определяют по формулам

(4.32)- (4.34), а коэффициент' запаса -	по	формулам	(4.43) и
(4.44). Для остальных секций напряжения определяют			по (4.20)
при !!=О и (4.34), а коэффициент запаса -	по (4.44).
В местах искривления ствола скважины		фактический коэффи­

циент запаса определяют по формуле (4.48), переменные напряже­ ния - по формуле (4.34), а постоянные О'р- по (4.16) и (4.20).

Расчет на статическую прочность ведется на совместное дейст­

вие нормальных и касательных напряжений.

Однораз,мерная колонна для вертикальной скважины. Подобран­

ные трубы нижней секции рассчитывают на наружное давление (не

менее 25 МПа). Длины (в м) одноразмерной многОсекционной ко­

лонны из условия статической прочности

	Q~I) _ 1,15QT (1-			'Уж) - рпFп
/l=--------------			~~'Y~·~------			(4.56}
	1,15 ql g (1 -			'У'У	)
				ж
/2 =	Q~2)	_	Q~I)
	"-----	,---"----		и	т. Д.;	(4.57)
	1,15 q2 g	(1 - 'Y;J
Q~I) =	Ql!1,04 n;		Q~2) =	Q2/1,04 пит. Д.,

где Ql, Q2 - предельные нагрузки для труб, Н.

Двухразмерная многосекционная колонна, состоящая 8 верхней части из труб большого диаметра. длины секцwй первой (нижней)

158