Розрахунок обсадних труб на розтяг

Розрахунок на розтяг колони труб з різьбою трикутного профілю рекомендується виконувати за уточненою формулою Яковлєва-Шумілова, якою враховується інтенсивність викривлення ствола свердловини.

; (5.2)

де - зрушуюче навантаження для різьбового з’єднання з урахуванням згину, Н;

- середній діаметр різьби в перерізі першого витка з повним профілем (основна площина), м;

- товщина стінки труби по впадині того ж витка, м;

- межа плинності матеріалу труб, Н/м²;

- нормальні напруження, що виникають у разі згинання труби, Н/м²;

- кут профілю різьби, =60 °;

- кут тертя пари "метал - метал", =7 °;

- робоча довжина різьби з повним профілем, м;

η - коефіцієнт розвантаження витків різьби з повним профілем

, (5.3)

де d - товщина стінки труби, м.

, (5.4)

або , (5.5)

де - модуль Юнга матеріалу труб, Н/м²;

- проектний радіус викривлення свердловини, м.

і - інтенсивність просторового викривлення, градус/10 м.

Допускається виконувати розрахунок G_{зр .з} за спрощеною формулою

, (5.6)

де - коефіцієнт зменшення міцності різьбового з’єднання при і =1,0°.

Під час розрахунку на міцність з¢єднань з трапецієвидним профілем різьби слід приймати до уваги, що максимальні напруження виникають у перерізі збігу різьби, де їх величина на 35–40 % перевищує напруження в тілі труби, що встановлено експериментальними дослідженнями.

Для обсадних труб ОТТМ, ОТТГ, ТБО визначено допустимі осьові навантаження для небезпечного перерізу, за який прийнята основна площина різьби. При дії згинального мо­менту допустимі осьові навантаження для труб зменшуються на величину додаткової розтягувальної сили від згину і визначаються за формулою

, (5.7)

де - допустимі осьові навантаження на різьбові з'єднання під час сумісної дії моменту згину та сили розтягу, Н;

- допустимі осьові навантаження для різьбових з'єднань прямолінійних труб, Н;

- величина додаткового розтягувального навантаження за рахунок згинального моменту, Н.

, (5.8)

де - поздовжні напруження згину, Н/м².

, (5.9)

де - безрозмірний параметр кривизни труби;

b₁, b₃, a₂, a₄ – коефіцієнти розкладу;

ν – коефіцієнт Пуассона.

Знаки «+» і «-» відповідають напруженням на внутрішній і зовнішній стінках труби. За формулою можна визначити поздовжні напруження згину, що виникають у будь-якій точці поперечного перерізу обсадної труби з врахуванням зміни його форми, від згинального момента при зміні полярного кута θ в межах від 0 до 2p.

- площа поперечного перерізу обсадної труби, м².

. (5.10)

Прийнявши за критичне значення границю плинності матеріалу труб, для небезпечного перерізу можна записати

. (5.11)

Як бачимо з виразу (5.11), при виконанні умов

; (5.12)

(5.13)

обсадна труба в небезпечному перерізі не втратить міцності.

Прийнявши до уваги, що розрахунок обсадних труб проводиться із запасом міцності, вираз (5.11) запишемо у вигляді

. (5.14)

3 виразу (5.14) видно, що коли напруження від розтягувальної сили досягли половини допустимої величини, то напруження від згинального момента також не можуть бути більшими половини критичного значення, інакше умова міцності не виконуватиметься.

Величини додаткових навантажень на різьбові з’єднання з трапецієвидним профілем для обсадних труб діаметром 146 мм за значень інтенсивності викривлення від 1 до 7°/10м розраховані і зведені до таблиці 5.3.

Таблиця 5.3 – Величини додаткових згинальних навантажень для різьбових з’єднань обсадних труб, кН

Умовний діаметр, мм	Товщина стінки, мм	Інтенсивність викривлення, градус/10м
	6,5	88,1	176,2	264,3	352,4	440,5	528,6	616,7
7,0	103,6	207,2	310,8	414,4	518,0	621,6	725,2
7,7	106,7	213,4	320,1	426,8	533,5	640,2	746,9
8,5	118,9	237,8	356,7	475,6	594,5	713,4	832,3
9,5	133,9	267,8	401,7	535,6	669,5	803,4	937,3
10,7	151,8	303,6	455,4	607,2	759,0	910,8	1062,6

 

5.3 Методика проектування конструкції

обсадної колони

 

Проектування конструкції обсадної колони в похило-скерованій свердловині проводять у такій послідовності.

1 Будують епюри зовнішніх і внутрішніх надлишкових тисків відповідно до профілю свердловини для характерних точок.

2 Встановлюють коефіцієнт запасу міцності n₁ на зовнішній тиск для інтервалу перфораційного об’єкта (як правило, це труби одного типорозміру) і підбирають труби з умови

, (5.15)

де - зовнішній надлишковий тиск на вибої свердловини, Па.

Якщо товщина перфораційного об’єкта не перевищує 200-300 м, він перекривається однією секцією. Якщо поклад багатопластовий, і його загальна товщина перевищує 300 м, то в зоні перфораційного об’єкта можна встановлювати дві і більше секцій труб. Довжину першої секції уточнюють по осі свердловини.

Після цього знаходять вагу першої секції за формулою

, (5.16)

де - довжина першої секції, м;

- приведена вага погонного метра першої секції, кН/м.

3 З епюри визначають величину зовнішнього надлишкового тиску на глибині положення верхнього кінця першої секції (переважно це відповідає покрівлі продуктивного пласта) і підбирають труби з найближчим більшим значенням критичного тиску для другої секції колони. Величину цього тиску уточнюють з умови двовісного навантаження від ваги першої секції

, (5.17)

де - вага першої секції, кН;

- розтягуюче навантаження, при якому напруження в тілі труб другої секції досягають межі текучості, кН.

Для знайденого значення уточнюють глибину спуску другої секції по вертикалі з коригуванням довжини секції по осі свердловини та вагу першої секції.

4 Для визначення довжини другої секції підбирають труби для третьої секції з найближчою меншою порівняно з другою секцією міцністю і з епюри (вертикальної проекції) знаходять глибину, яка відповідає критичному тиску цих труб (при ). Знаходять довжину (спочатку по вертикалі, а потім по осі свердловини) і вагу другої секції, сумарну вагу двох секцій, враховують вплив розтягу від ваги двох секцій на величину , уточнюють глибину спуску третьої секції по вертикалі, довжину секції по осі свердловини і вагу другої секції та сумарну уточнену вагу двох секцій.

Для інтервалів збільшення або зменшення зенітного кута необхідно враховувати вплив інтенсивності викривлення на зміну напруженого стану і форми поперечного перерізу труби під дією зовнішнього надлишкового тиску. Значення зовнішнього критичного тиску для труб, що будуть встановлені в інтервалі зміни зенітного кута, перемножують на коефіцієнт зменшення опірності труб на зім’яття внаслідок згину і за епюрою зовнішнього надлишкового тиску уточнюють глибину спуску труб цієї секції. Якщо глибина спуску труб, згідно з епюрою, буде нижчою від інтервалу зміни зенітного кута, то підібрані обсадні труби задовольняють умові міцності з врахуванням згину. Якщо ж значення глибини знаходяться в інтервалі зміни зенітного кута або вище інтервалу, то необхідно провести відповідні перерахунки: для попередньої секції підібраних труб знаходять значення критичного тиску з врахуванням згину і за епюрою зовнішнього надлишкового тиску встановлюють нижню межу секції. Якщо ці труби мають достатню міцність, то їх можна встановити в інтервалі збільшення або зменшення зенітного кута плюс 50 м вище верхньої межі, після чого визначають уточнену вагу секції та сумарну вагу.

Аналогічно підбирають труби для наступних (розташованих вище) секцій труб.

Паралельно з розрахунком на зовнішній надлишковий тиск виконують перевірку умов міцності секцій труб на внутрішній тиск і розтяг (у верхніх перерізах підібраних секцій) за формулами

; (5.18)

, (5.19)

де - внутрішній критичний тиск труб, Па.

Перевірку колони на розтяг проводять з врахуванням згину.

Невиконання умови (5.18) означає, що труби верхньої секції повинні бути замінені на міцніші. Для цього на епюрі внутрішнього надлишкового тиску знаходять глибину, де , і встановлюють верхню межу секції. Після цього уточнюють довжину і вагу цієї секції. Труби вище розташованих секцій підбирають з умови міцності на внутрішній надлишковий тиск, тобто повторюють попередній розрахунок для міцніших труб. При цьому перевіряють виконання умови (5.19).

Якщо не виконується умова (5.19), то переходять до розрахунку колони на розтяг. Спочатку перевіряють умову (5.19) для нижнього перерізу цієї секції

. (5.20)

Якщо нерівність (5.20) виконується, то знаходять довжину і -ої секції з умови міцності на розтяг

. (5.21)

Довжину наступних секцій (встановлених вище) визначають з умови міцності на розтяг за формулою

. (5.22)

Якщо нерівність (5.20) не виконується, то це означає, що дану секцію не може бути встановлено і тоді уточнюють довжину попередньої секції з умови міцності на розтяг. Аналогічно, користуючись формулами (5.21) і (5.22), підбирають наступні секції колони з перевіркою виконання умови (5.18).

Отже, методика розрахунку обсадних колон на міцність для кріплення ПСС передбачає врахування впливу згину труб на їх опірність зовнішньому надлишковому тиску і згину. Вплив згину при розрахунку обсадних колон на зовнішній надлишковий тиск рекомендовано враховувати шляхом уведення поправочного коефіцієнта до величини зовнішнього критичного тиску залежно від інтенсивності викривлення, товщини стінки, діаметра труб і групи міцності сталі.