Напряжения, вызванные осевыми нагрузками в бурильных трубах при циркуляции без опоры на забой

Растягивающие усилия, возникающие под воздействием собственного веса бурильной колонны составленной из одного типоразмера труб и перепада давлении в ГЗД и долоте

  F _{р z} = q (L-z)·K ρ +G· Р ₀ S₀ = q· ((L- z)+ G ) К ρ + Р ₀ S₀

 где F _{р z} – растягивающее усилие, обусловленное массой бурильной колонны, расположенной ниже сечения z; m-приведённая масса 1 м труб с учётом высадок, муфт и замков(приводится в справочниках);

q  – приведённый вес 1м труб с учётом высадки и замков;

L – полная длина колонны бурильных труб;

К ρ – коэффициент облегчения в растворе, Кρ= 1- (ρ_ж/ ρ_м));  

  z- глубина рассматриваемого сечения,

ρ_ж и    ρ_м плотность промывочной жидкости и плотность металла соответственно.

Р₀ - перепад давления на ГЗД и долоте

G - вес КНБК

S ₀-площадь поперечного сечения канала трубы в сечении Z.

Нормальное осевое напряжение σ_{н. z} в сечении z , определяется из выражения:

, где S-площадь поперечного сечения металла трубы в сечении Z.

Допустимая длина колонны бурильных данной группы прочности и типоразмера бурильных труб L_доп зависит только от прочностных характеристик материала из которого они изготовлены, растягивающего усилия в рассматриваемом сечении и не зависит от их площади сечения.

Где К_зп- коэффициент запаса прочности на растяжение. При бурении вертикальных скважин имеет значение 1,4 для роторного бурения и 1,3 для турбинного. При бурении наклонных скважин, интенсивность набора или спада кривизны которых составляет 4⁰ или более на 100м при роторном бурении принимается 1,45; при бурении забойными двигателями 1,35.

К ρ- коэффициент облегчения в буровом растворе;

 – коэффициент динамичности 1,15;

q - вес 1погонного метра труб;

  F _{р доп.} =σ_т· S /К_зп

н.с.- нейтральное сечение

Напряжения, возникающие в результате изгиба труб.

Наиболее распространённый вид изгиба – поперечный изгиб в искривлённых интервалах наклонно-направленной скважине. При поперечном изгибе в теле трубы возникают растягивающие напряжения с выпуклой стороны и сжимающие с вогнутой. Напряжения поперечного изгиба в не вращающейся колонне неизменны по величине и знаку, во вращающейся величина сохранится, знак будет меняться в зависимости от частоты вращения. Их определяют из выражения:

где Е-модуль Юнга;

Dн – наружный диаметр труб;

R- радиус искривления скважины в расчётном интервале.

Напряжения сжатия возникают при проведении различных операций в скважине, в подавляющем числе случаев их значения ниже предела текучести материала труб и вызывают продольный или продольно - поперечный изгиб труб, при котором трубы не восстанавливают первоначальную форму за счёт только сил упругости материала. В определённых условиях при воздействии динамической нагрузки (аварийное падение колонны труб в скважину с небольшими зенитными углами приводят к остаточной деформации последних и их выбраковке, реже к слому труб).

Условия потери устойчивости с учётом шарнирного опирания нижнего конца труб определяется по формуле Эйлера:

F _кр = π² Е ILl ²

где F кр - осевое усилие, при котором происходит потеря устойчивости бурильной колонны.

Е= 2·10⁵МПа- модуль нормальной упругости,

 – осевой момент инерции поперечного сечения трубы,

где D _н - наружный диаметр трубы, D _в - внутренний диаметр,

М – коэффициент приведения при шарнирном опирании стержня равен 1,

L -длина колонны труб.

В случае увеличения длины труб в n раз критическая сила Ркр уменьшается в  раз.

Различают 3 рода деформации: деформации 1-го рода - когда принимается форма полуволны синусоиды, 2-го рода – синусоиды и 3-го рода – спирали. Во всех случаях амплитуда изгиба ограничивается стенками скважины.

Выбранная компоновка УБТ проверяется на устойчивость.

F _кр = 2 ²

Где q – вес 1 п.м. труб.

L _кр = 2

Если F _кр больше или равно G _д или l _кр   (где F _кр и G _д критическая осевая нагрузка и нагрузка на долото, а l _кр критическая длина для данного размера УБТ), в месте изгиба устанавливаются опорно- центрирующие элементы или пересматривается компоновка.

Экспериментальным путём определено, что при L _кр = 4.22  образовывается синусоида, при дальнейшем увеличении длины- спираль.

Расчётные значения критических нагрузок для наиболее распространённых диаметров УБТ приведены в таблице 2.

Таблица 2.

1.4. Радиальные нормальные напряжения

Радиальные нормальные напряжения (σ_рад ) возникают в результате действия внутреннего избыточного давления.

где  σ рад   - радиальное нормальное напряжение;

Р_в.и.- внутреннее избыточное давление в колонне бурильных труб на рассчитываемой глубине;

D_в – внутренний диаметр труб;

Kр – коэффициент разностенности труб

t – толщина стенки трубы; (принимается 0, 875).

При проверочном расчёте полученную величину необходимо сравнить с пределом текучести материала используемых труб. Коэффициент запаса прочности должен быть не менее 1,15.

      n  =  ≥ 1,15.

Второй способ выполнения проверочного расчёта заключается в сравнении ожидаемого наибольшего внутреннего избыточного давления Рв.и. и предельного внутреннего давления для данного типоразмера труб Ркр.

      n = ≥ 1,15

При отсутствии табличных данных предельное внутреннее давление определяется из выражения:

Где σ _Т  - предел текучести материала труб;

δ – номинальная толщина стенки трубы;

D _н- наружный диаметр трубы