Расчет эксплуатационной колонны на прочность при осевом растяжении

17.11.2020

Условие прочности колонны на растяжение под действием осевых сил в период спуска в скважину и цементирования можно записать в виде

где G — вес участка колонны, расположенного ниже рассматриваемого сечения,

q1, q2, ..., qn — приведенная масса 1 м труб первой снизу, второй и т. д. секций колонны; l1, l2, ..., ln — длина соответствующей секции колонны; Pс — сумма всех остальных осевых сил, действующих на рассматриваемое сечение; [Р]пр — допустимая осевая растягивающая сила для данного сечения колонны.

Если колонну при спуске и цементировании не расхаживают и не приподнимают более чем на 0,3—0,5 м, при расчете обычно полагают Pс=0. При расхаживании или приподнимании колонны на несколько метров, особенно в наклонных и искривленных скважинах, величина Pс может быть весьма значительной и пренебрегать ею не следует. Величину этой силы в первом приближении можно определить путем статистической обработки результатов промысловых измерений нагрузки на буровой крюк с помощью регистрирующих силоизмерительных приборов. Если наибольшая нагрузка на буровой крюк при расхаживании всей колонны с промывкой или в период закачивания цементного раствора равна Pк.б, а вес колонны в воздухе Gк, то сумма всех прочих осевых сил, действующих на верхнее сечение ее,

В первом приближении можно допустить, что эта сила более или менее равномерно распределена по тому участку колонны, который расположен в интервале скважины, не перекрытом предыдущей обсадной колонной. В самом деле, коэффициент трения колонны по породе больше, чем металла по металлу; при расхаживании муфты колонны могут сдирать фильтрационную корку или даже породу; прижимающее усилие от перепада давлений может быть весьма значительным против интервалов проницаемых пород. Наконец, опасность обрыва колонны при таком характере приложения силы Pт больше, чем в случае равномерного распределения по всей длине от башмака до устья.

Если принять такое допущение, то величину силы Pс можно найти по формуле

где Lп — глубина спуска предыдущей обсадной колонны.

Если рассматриваемое сечение расположено выше башмака предыдущей колонны (z < Lп), то Pс = Pт.

Допустимую осевую растягивающую силу для рассматриваемого сечения колонны из труб по ГОСТ 632—64 можно определить по формуле

При использовании труб с иным типом соединений вместо Рш в формулу (6.35) нужно подставить наименьшее из значений страгивающей либо разрушающей нагрузки резьбового соединения или силы, при которой в теле трубы напряжения достигают предела текучести.

При расчете по страгивающей нагрузке, определенной по формуле П.П. Шумилова, регламентированы следующие значения коэффициента запаса прочности (табл. 6).

При расчете по разрушающей нагрузке резьбового соединения обычно полагают kстр = 1,8.

К расчету прочности при растяжении приступают после того, как колонну рассчитали на сопротивляемость смятию избыточным наружным давлением и на сопротивляемость разрыву избыточным внутренним давлением и, следовательно, наметили первый вариант конструкции (толщины стенок, группы прочности материала и длины секций). Проверяют прочность каждой секции, начиная с нижней, в верхнем сечении. Если в верхнем сечении какой-либо из секций условие (6.31) не выполняется, длину этой секции уменьшают. Допустимую длину этой секции можно найти, если в условии (6.31) G и Pс заменить соответствующими значениями из формул (6.32) и (6.34), а вместо [Р]пр подставить величину допустимой осевой силы для труб данной секции. Тогда допустимую длину секции можно определить, если уравнение (6.31) решить относительно Если секция расположена в интервале, не перекрытом предыдущей колонной, допустимая длина секции

если же интервал перекрыт предыдущей колонной, то

Все последующие, выше расположенные секции эксплуатационной колонны должны быть укомплектованы более прочными трубами (т. е. либо с более высоким пределом текучести, либо с большей толщиной стенки, либо с соединениями более высокой прочности). Длину каждой последующей секции можно определить также из уравнения (6.31), если учесть, что сумма осевых сил, приложенных к верхнему сечению смежной снизу секции, равна допустимой нагрузке для труб этой секции. Если рассчитываемая новая секция расположена в интервале, не обсаженном предыдущей колонной, допустимая длина ее

где qn+1 — приведенная масса 1 м труб рассматриваемой секции;

[P]пpn+1, [Р]прn —допустимая осевая растягивающая сила для труб данной и предыдущей секций колонны, соответственно.

Устьевой участок колонны длиной 25—50 м обычно комплектуют из более толстостенных труб, чем требуются по расчету, поскольку он подвергается более значительному износу при всевозможных подземных и капитальных ремонтах скважины, а также при измерительных и исследовательских работах. В районах с очень низкой сезонной температурой (примерно минус 50°С и ниже) устьевой участок целесообразно компоновать из труб с повышенной хладостойкостью материала.

Значения предела текучести, модуля упругости материала и прочностные характеристики труб, приводимые в различных справочниках, даны для температуры ~20°С. В тех случаях, когда в скважине ожидается очень высокая температура (например, 180—200°С и более), следует вносить коррективы в прочностные характеристики, поскольку при этом предел текучести материала и модуль упругости заметно уменьшаются. По данным К.И. Лошкарева,

где от и E — справочные значения предела текучести и модуля упругости при температуре 20°С; ko и kE — соответственно коэффициенты температурного изменения предела текучести и модуля упругости; для легированных сталей ko = 0,465 МПа/К, kE = 69 МПа/К; AT — прирост температуры в соответствующем интервале скважины

Tc — температура участка колонны в условиях скважины, °C.

Рекомендуется рассчитывать несколько вариантов колонны. Эти варианты могут отличаться друг от друга толщиной стенок секций, группой прочности материала, типом соединений. За окончательный вариант целесообразно принимать тот, при котором стоимость самой колонны и транспортирования труб минимальна

где ci — стоимость единицы массы труб данной спецификации (т. е. с данной толщиной стенки, данным типом соединения и данной группы прочности); Mi — масса труб данной спецификации; ст — стоимость транспортирования единицы массы колонны на единицу длины пути; Lт — длина пути транспортирования труб от завода до буровой.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна