Практическое занятие №3. Определение нагрузки на крюке при подъеме инструмента из искривленной скважины.

    Цель: определение влияния системы «бурильный инструмент – ствол искривленной скважины» на выбор грузоподъемности буровой установки.

Ход занятия

1. При выполнении задания студенты используют материалы своей производственной практики.

2. Изучение методики расчета нагрузки на крюке при подъеме бурильного инструмента из искривленного ствола скважины.

3. Проведение математических расчетов.

4. Ответы преподавателя на вопросы студентов в процессе вычислений.

5. Построение студентами графиков зависимости нагрузки на крюке от управляемых факторов.

6. Предоставление студентом оформленной работы преподавателю и ее защита.

Основные теоретические положения

    При подъеме бурильной колонны из наклонно-направленной скважины нагрузка на крюке талевого блока может превышать вес бурильной колонны и достигать значительных величин.

    Знание этой нагрузки необходимо для оценки возможности строительства конкретной скважины при выбранном наземном буровом оборудовании и бурильном инструменте и определяет грузоподъемность буровой установки. Нагрузка на крюке зависит от веса бурильной колонны, коэффициента трения, геометрии самой скважины.

    Рассчитать величину сил сопротивления, возникающих при перемещении колонн труб как в наклонно-направленной, так и в горизонтальной скважине различного профиля, можно с использованием математических зависимостей, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 – Формулы расчета нагрузки на крюке

Участок	Нагрузка на крюке при подъеме инструмента
Набор зенитного угла
Уменьшение зенитного угла
Стабилизация

    В таблице использованы следующие обозначения:

,  – зенитный угол внизу и вверху участка колонны труб, град;

 – коэффициент трения (  = 0,3 – трение сталь по горной породе,  = 0,15 –трение стали по стали);

j – угол трения, рад, j = 2  arctg ;

q – вес одного погонного метра труб в жидкости, Н/м;

q₀ – вес одного погонного метра труб с замками в воздухе, Н/м;

R – радиус кривизны участка профиля, в котором расположен участок труб, м;

L – длина участка стабилизации, м;

Р_п – растягивающая сила, приложенная к нижнему концу участка колонны труб, Н.

Формулы получены на основе методики М. М. Александрова, при следующих допущениях:

- колонна труб перемещается по нижней стенке ствола скважины;

- колонна труб не вращается;

- жесткость труб не учитывается;

- на колонну труб действуют только силы трения скольжения;

- профиль скважины состоит из дуг окружности и прямолинейно наклонных участков.

При расчете вся колонна бурильных или обсадных труб разбивается на участки, отличающиеся друг от друга весом единицы длины, геометрией ствола скважины, в котором они расположены, а также коэффициентом трения.

При расчете силы на крюке талевого блока при подъеме колонны труб (табл. 1) сначала рассчитывается сила, которая должна быть приложена к верхнему концу самого нижнего участка поднимаемой колонны.

Для каждого последующего участка профиля расчет производится с учетом растягивающей силы, которая приложена к предыдущему участку колонны труб при подъеме.

Произведем расчет нагрузок с учетом сил трения при бурении скважины по трехинтервальному профилю. За основу примем профиль, который представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Трехинтервальный профиль скважины

 

Исходные данные для расчета нагрузок приведены в таблице 2

Таблица 2 – Исходные данные для расчета нагрузок с учетом сил трения

Величина	Значение
Вес одного погонного метра бурильных труб с замками (127 мм ТБВК), кГ/м	33
Коэффициент трения стальных труб о породу	0,3
Радиус искривления на участке набора угла с отклонителем, м	573
Радиус искривления на участке неориентируемого набора угла, м	1146
Плотность бурового раствора, кГ/м^3	1100
Плотность материала бурильных труб, кГ/м^3	7800

Находим вес одного погонного метра бурильных труб в буровом растворе:

 

= 28 кГ/м.

    Произведем расчет нагрузки на крюке при подъеме инструмента из скважины.

Расчет производим снизу вверх но участкам.

1) Нагрузка в верхней точке участка стабилизации зенитного угла (точка Д). Формула для расчета приведена в таблице 1:

Р = Р_n + (q L + Р_КНБК) • (cosα + μ •sinα).

Выпишем значения величин: Р_n=0, где Р_n – растягивающая сила, приложенная к нижнему концу участка колонны труб; μ = 0,3; j = 33,4; α = 30°, l ₃ = L = 1077 м;   Р_КНБК = 3000 кГ.

После вычислений получаем нагрузку в точке Д: Р_Д = 33400 кГ. Находим вес колонны в точке Д: Р_Двес = q• l ₃ + Р_КНБК = 30160 кГ.

2) Нагрузка в верхней точке участка неориентируемого набора зенитного угла (точка С). Формула для расчета приведена в таблице 1:

Р = Р • e^μγ + q • R • [ sinα₁ • e^μγ –sinα₀ ].

Выпишем значения величин: Р_n= Р_C= 34400 кГ, R = 1146 м; μ = 0,3; j =33,4; α₀ =12°, α = 23°, γ=   (рад), l ₂ = 200 м.

После вычислений получаем нагрузку в точке С: Р_С=43060 кГ. Находим вес колонны в точке С: Р_Свес = Р_Д+ q• l ₂ = 35760 кГ.

3) Нагрузка в верхней точке участка набора угла отклонителем (точка В). Формула для расчета та же, что и в пункте 2).

4) Выпишем значения величин: Р _n = Р_С = 43060 кГ, R = 573, μ = 0,3; j =33,4°; α₀ =0⁰, α = 12°, γ=   (рад), l ₂ = 120 м.

После вычислений, получаем нагрузку в точке В: Р _B = 49400 кГ. Находим вес колонны в точке В: Р_Ввес = Р_С+ q• l ₁ = 39120 кГ.

5) Нагрузка в верхней точке вертикального участка (в точке А):

Р_А =P_B+q•h_{зарезки}

Учитывая, что h_{зарезки} = 600 м, находим нагрузку на крюке: Р _А = 66200 кГ. Находим вес колонны в точке А: Р_Авес= Рв+ q• h_{зарезки} =55920 кГ.

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты расчетов нагрузки на крюке

Участок	Вес колонны, кГ	Нагрузка на крюке, кГ	Отношение нагрузки к весу колонны, %
1. Стабилизация	30160	33400	111
2. Неориентируемый набор зенитного угла	35760	43060	120
3. Ориентируемый набор зенитного угла	39120	49400	127
4. Вертикальный	55920	66200	120

           

Анализ результатов вычислений показывает, что на искривленных участках данного профиля нагрузка на крюке из-за сил трения может в 1,3 раза превышать вес колонны.