6.2. Расчетные формулы для определения прочности колонн, к различным видам нагрузок

Анализ условий работы обсадных колонн позволяет заключить, что основными нагрузками действующими на обсадную колонну являются: - сминающие (возникают от действия избыточных наружных давлений); избыточное внутреннее давление и усилие страгивания. По этим нагрузкам и осуществляют подбор обсадных труб. Основными условиями выбора обсадных труб являются:

,

,

,

,

,

где: - расчетные значения коэффициентов запаса прочности на смятие, разрыв и страгивание;

- допустимые значения коэффициентов запаса прочности на смятие, разрыв и страгивание.

Значения для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта принимают равным 1,0  1,3 в зависимости от устойчивости, коллекторов. Для остальных секций .

Значения допустимой величины коэффициента запаса прочности на внутреннее давление принимают в зависимости от диаметра труб и их типа. Для труб диаметром 114...219 мм. в исполнении А и Б . Для труб диаметром свыше 219 мм в исполнении Б - , в исполнении А - 1,15.

Значения допустимого коэффициента запаса прочности на страгивания зависит от диаметра колонны, длины колонны и профиля ствола скважины. При их выборе следует руководствоваться таблицей.

Таблица 6.1.

Значения коэффициентов запаса прочности на страгивание для труб с треугольным профилем резьбы

Диаметр трубы, мм	Длина колонны, м	Запас прочности для вертикальных скважин
114...168	До 3000 м Больше 3000 м	1,15 1,30
178...245	До 1500 м Больше 1500 м	1,30 1,45
273...324	До 1500 м Больше 1500 м	1,45 1,60
Больше 324	До 1500 м Больше 1500 м	1,60 1,75

Для труб с трапецеидальным профилем резьбы исполнения A , исполнения Б - 1,80. При этом. допустимая нагрузка на тело гладкой части трубы в первом случае не должна превышать 80 % (), во втором 77 % () от нагрузки, при которой напряжения достигают предела текучести.

Для наклонных скважин определяется зенитным углом и рассчитывается по формуле:

;

.

= критическое давление, при котором наибольшее напряжение при избыточном наружном нагружении достигает предела текучести материала труб. Определяют по формуле Саркисова Г.М.:

;

;

где: D - наружный диаметр труб, мм;

- предел пропорциональности, который принимают равным пределу текучести материала труб, МПа;

Е - модуль упругости (Е_ст = 2,1  10⁵ МПа);

е - овальность трубы;

- номинальная толщина стенки трубы, мм;

- расчетные толщины стенок, которые определяют по формулам:

;

;

.

или по упрощенным выражениям:

;

- для труб исполнения Б и

- исполнения А

- 1,034 (трубы исполнения Б)

- (трубы исполнения А).

Критическое давление с учетом растягивающих нагрузок при двухосном нагружении определяют по формуле:

,

где: - критическое давление, определенное по формуле Г.М.Саркисова (без учета растяжения);

Q - осевая растягивающая нагрузка на трубу;

- растягивающая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигают предела текучести;

- избыточное внутреннее давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести, определяют по формуле Бэрлоу.

;

0,875 - коэффициент, учитывающий отклонение толщины стенки;

- растягивающее усилие, при котором в наиболее опасном сечении резьбового соединения напряжения достигают предела текучести

;

- средний диаметр сечения по впадине первого полного витка резьба (в основной плоскости), мм

;

h - глубина резьбы; мм;

b - толщина стенки трубы по впадине того же витка, мм;

l - длина резьбы с полным профилем (до основной плоскости), мм;

l - угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы, равный 60°;

 - угол трения. Принимается в расчетах равным 7°;

 - коэффициент разгрузки ;

- предел текучести материала труб, МПа.

Расчет на растяжение колонн труб с резьбой трапецеидального профиля производят по разрушающей нагрузке, наименьшей из подсчитанных, исходя из условия разрушения по телу трубы в опасном сечении, условия выхода резьбы из сопряжения, вследствие уменьшения поперечных размеров трубы от удлинения при растяжении, и условия разрушения по муфтовой части соединения в опасном сечении.

Разрушающую нагрузку по телу трубы в опасном сечении определяют по формуле:

.

Разрушающую нагрузку при выходе резьбы из сопряжения рассчитывают по формуле:

.

Разрушающую нагрузку по муфтовой части соединения в опасном сечений определяют по формуле:

.

Для колонн составленных из труб типа ОГ с толщиной стенки до 10 мм включительно, разрушающую нагрузку определяют исходя из прочности ниппельной части по формуле:

.

Для труб типа ОГ с толщиной стенки 11 мм и более разрушающую нагрузку определяют исходя из прочности муфтовой части по формуле:

.

В этих формулах:

Д - наружный диаметр трубы, мм.;

- толщина стенки., мм.;

- наименьший предел прочности при растяжении, МПа;

- наименьший предел текучести при растяжении, МПа;

- высота профиля резьбы. Принимают равным 1,6 мм;

- средний диаметр тела трубы в опасном сечении:

;

- диаметральный натяг свинченного соединения, мм.;

- модуль упругости. Для труб группы прочности, =4900 МПа, К и Е -3430 МПа, и Л, М - 2450 МПа;

- рабочая высота профиля резьбы. Принимают равным 1,2 мм;

- коэффициент Пуассона. Для пластической области = 0,5;

- угол наклона стороны профиля резьбы ;

- угол трения ;

l - длина резьбы, находящейся в сопряжении

l = L - 14 мм;

L - общая длина резьбы;

- наружный диаметр муфты, мм;

- наружный диаметр резьбы муфты в опасном сечении:

;

- длина наружной резьбы с полным профилем, мм.

Значения осевой растягивающей нагрузки, при которой напряжения в теле трубы, закрепленной в клиновом захвате, достигают предела текучести, определяют по формуле:

,

где: F - площадь сечения трубы, мм;

- предел текучести материала труб, МПа;

- средний диаметр трубы, мм;

l - длина плашек клинового захвата, мм.;

 - угол уклона клина (уклон 1:16);

 - коэффициент трения ( = 0,2);

x - коэффициент охвата трубы плашками ()

x - определяется в зависимости от типа клинового захвата ;

 - угол охвата трубы плашками одного клина ( 60°)

m - число клиньев.

Эти виды разрушающих обсадную колонну нагрузок просчитаны для каждой трубы в зависимости от ее диаметра, толщины стенки, вида резьбового соединения, группы прочности материала труб и представлены в соответствующих справочниках и руководящих документах.