Типоразмер
БТ
|
Диаметр
БТ, мм
|
t,
мм
|
D',мм
|
q',
кг/м
|
E
, Па
|
D
|
d
|
ТБСУ-85
|
85
|
76
|
4,5
|
85,5
|
13,82
|
2·1011
|
D и d – наружный и
внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, мм;
t – толщина стенки,
мм;
D' – наружный диаметр соединений БТ, мм;
q' – линейная плотность бурильных труб с
учётом высадок и резьбовых соединений, кг/м3;
E – модуль продольной упругости материала БТ
(для стали);
2.
Расчетная часть
Определение
положения «нулевого» сечения КБТ
«Нулевым
сечением (сечение 0-0) называется расстояние от забоя скважины до точки на КБТ,
где нормальные (осевые) напряжения равны нулю (σр=σсж=0), и определяется
длиной сжатой части КБТ
ZО-О =,
где С –
осевая нагрузка на ПРИ, С=25000Н;
2 – коэффициент,
учитывающий плотность БР и материала БТ
2 =м,
где –плотность
бурового раствора (БР), кг/м3 , кг/м3;
плотность
материала бурильных труб, кг/м3 , кг/м3;
2=1-1200/7800=0,85;
3 – коэффициент,
учитывающий искривление скважины в вертикальной плоскости н=90˚-80˚=10˚;
к=н +I·L, где I – интенсивность искривления
скважины, 0/м I = 0,02; L – глубина скважины,
м L = 50; к=10+0,02·50 = 11,0˚;
ср=(н +к)/2= (10˚+11,0˚)/2=
10,50˚;
cos ср= cos10,50=0,98;
q'- линейная
плотность бурильных труб с учётом высадок и резьбовых соединений, q'=7,47 кг/м3;
g- ускорение
свободного падения, g=9,8 м/с²;
ZО-О =25000/(0,85·0,98·7,47·9,8)=410,67м;
«Нулевое»
сечение находится выше устья скважины и ZO–O > L, и бурение
производится дополнительной нагрузкой.
При
бурении с дополнительной нагрузкой:
- для
сечения 1 – 1 (устье скважины) Z1= Zо-о L, м;
- для
сечения 2 – 2 (забой скважины) Z1 = Zо-о, м.
Бурение
с дополнительной нагрузкой КБТ
Участок
1-1 (устье скважины)
Этот
участок является наиболее опасным и здесь КБТ испытывает напряжения сжатия,
изгиба и кручения.
Напряжение
сжатия равно
сж = , Па
где Pдоп – дополнительное
усилие, создаваемое механизмом подачи бурового станка, для получения
необходимой осевой нагрузки на ПРИ, Н; F– площадь сечения
гладкой части БТ, м2.
Дополнительное
усилие, создаваемое механизмом подачи бурового станка, равно Рдоп =
С G·g, Н
где С
– данная по заданию осевая нагрузка на ПРИ, 25000Н; G – масса КБТ, G = α2·α3·q'·L, G = 0,85·0,98·7,47·50=310,59 кг
Рдоп=25000
– 310,59·9,8= 21956,17 H;
Площадь
сечения гладкой части бурильной трубы определяется по формуле
F=0,785·(D2–d2), м2
F=0,785·(0,0552–0,0462)=
7,14·10-4 м2;
сж = 21956,17/7,14·10-4 =30769689,74 Па =
30,76 Мпа;
Напряжение
изгиба равно
из= из'+из'', Па
где из'– напряжение изгиба
от действия, возникших при вращении КБТ в скважине, центробежных сил, Па; из''–дополнительное
напряжение изгиба, возникающее при интенсивном искривлении скважины (при J > 0,04º/м)
в результате повышенного трения КБТ о стенки скважины, Па.
Изгибающие
напряжения (из'), возникающие во вращающейся КБТ, определяются по
формуле
из'
где из' – напряжение
изгиба в расчетном участке КБТ, Па; E – модуль продольной упругости материала БТ
(для стали 2·1011Па); I0 — это осевой момент инерции
площади попересного сечения трубы, м4; f – стрела прогиба
КБТ и равна:
f = = (0,102-0,056)/2=0,023 м;
где Dс = Dпри·R=0,093·1,1=0,102 м – диаметр
скважины, где R=1,1(для долота); Dпри=0,093м и D'=0,056– наружный диаметр
соединений БТ, м (берется из технической характеристики бурильных труб).
I0 = == 4,17·10-6 м4;
где D и d – наружный и
внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, м берутся из технической
характеристики бурильных труб ТБСУ-55.
Ln длина полуволны
прогиба КБТ, и определяется выражением
Ln =м
где Z1– расстояние от
«нулевого» сечения до устья скважины.
Ln ==17,95 м;
Для
сечения 1 – 1 (устье скважины) Z1 = Zо-оL= 410,67=360,67м;
Осевой
момент сопротивления изгибу Wо, м3 в расчетном сечении БТ определяется
выражением
Wо= == 8,34·10-6 м3;
где D и d – наружный и
внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, м берутся из технической
характеристики бурильных труб ТБСУ-55.
из'= 70869520,15 Па = 70,87 МПа;
из= из' =70869520,15 Па =
70,87 Мпа;
Напряжение
изгиба от искривления траектории скважины σиз'' не учитывается т.к.
интенсивность ее искривления менее 0,04º/м.
Угловая
скорость вращения БТ равна
, с
где n число оборотов
колонны б/т, об/мин(по заданию).
(3,14·300)/30=31,4 с
Касательное
напряжение кручения зависит от крутящего момента, передаваемого на КБТ
=, Па
где Mкр– крутящий момент,
действующий на КБТ на устье скважины, Н·м.
Крутящий
момент определяется затратами мощности на бурение
Mкр =
где Nб – мощность, расходуемая
на бурение скважины, кВт; –Угловая скорость вращения БТ, с
Мощность
на бурение равна сумме затрат мощности на вращение КБТ и мощности на разрушение
забоя и определяется по формуле
Nб=Nб.т + Nзаб, кВт.
где Nб затраты мощности на
бурение, кВт; Nб.т затраты мощности, на вращение колонны бурильных
труб, кВт; Nзаб мощность, затраченная на разрушение горной
породы на забое скважины, кВт;
Мощность,
расходуемая на вращение КБТ, определяется выражением
Nб.т
= k1· k2·
k3 ·[1,6·10-8 k4
·k5 (0,2+r”)·(0,9+0,02 f)·(1+0,44cosq)·M·Dс
(1+1,3·10-2f) n1,85·L0,75+2·10-8 f·n·C],
где k1– коэффициент,
учитывающий антивибрационные свойства бурового раствора (при использовании:
глинистого раствора–1,2); k2 – коэффициент, учитывающий состояние стенок
скважины (в устойчивом геологическом разрезе k2=1,0); k3 – коэффициент,
учитывающий влияние материала БТ на трение их о стенки скважины (для стальных
труб k3=1,0); k4 –коэффициент, учитывающий искривление
траектории скважины, определяется по формуле разработанной в МГРИ (k4 = 1+60Jo, где Jo –интенсивность
искривления скважины, k4=1+60·0,02=2,2˚/м); k5–коэффициент,
учитывающий влияние соединений колонны бурильных труб (для ниппельных
соединений k5=1,0); r”–кривизна труб в свече, учитывающая
собственную кривизну и несоосность соединений, мм/м (в практике применяют: для
труб ниппельного соединения изготовленных в заводских условиях r”=1,2 мм/м); f–зазор между
стенками скважины (Dс) и соединениями БТ(D'), мм [f=(DсD')/2=(102,3-56)/2=23,15мм];
M=q'/(1000EI)0,16=7,47/(1000·2·1011·4,17·10-6)0,16
=
0,28 –коэффициент, зависящий от диаметра скважины, массы одного погонного метра
и жесткости КБТ; q'=7,47 – линейная плотность бурильных труб с учётом высадок и
резьбовых соединений, кг/м3; Dс– диаметр скважины, Dс =102,3 мм; C – осевая нагрузка
на забой, С=25000Н; L– глубина скважины, L=50м; n – частота вращения
КБТ, n=300 об/мин.
Nб.т = 1,2·1·1 ·[1,6·10-8 ·2,2·1·
(0,2+1,2)·(0,9+0,02·23,15)·(1+0,44·0,98)·0,28 ·102,3·(1+1,3·10-2·23,15)
3001,85·650,75+2·10-8 ·23,15·300·25000] =
7,25333 кВт = = 7,25·103 Вт;
При
бурении сплошным забоем (шарошечное долото) мощность, на разрушение горной
породы, равна
Nзаб =1,02·10-7 m·C·D·n
Nзаб =1,02·10-7 0,17·25000·93·300 = 12,09465 кВт
= 12,09·103 Вт;
где Nзаб – мощность,
расходуемая на разрушение забоя скважины долотом,
кВт; – коэффициент трения
шарошечного долота о горную породу (для долот диаметром ≥76 мм – 0,17).
Nб = 7,25 + 12,09 =
19,34798 кВт = 19,35·103 Вт;
Mкр = 19,35·103/31,4=
616,18 Н·м;
Полярный
момент сопротивления площади поперечного сечения гладкой части БТ кручению, Wр, м3 определяется
по формуле
WР =2 Wо
WР =2· 8,34·10-6 = 1,67·10-5 м3;
= 616,18/1,67·10-5
= 36952817,56 Па = 36,95 МПа;
Затем
рассчитывается суммарное напряжение, действующее на КБТ устье скважины при
дополнительной нагрузке
[Т]
=125668499,99Па =125,66 МПа 490МПа
;
и
определяется коэффициент запаса прочности
n =
n =490/(125,66·1,5)=2,59>1,6
[Т]=490·106 Па –
предел текучести материала БТ. Сталь марки 36Х2С. [1]
Из
расчетов видно, что коэффициент запаса прочности больше допустимого, и тип
выбранных труб удовлетворяет условиям задания.
Участок 2 – 2 (забой
скважины)
На
участке 2 – 2 (забой скважины) КБТ испытывает напряжения сжатия и изгиба
(максимальное значение), кручения (минимальное значение).
Напряжение
сжатия определяется по формуле
сж =,
где C – осевая нагрузка
на забой, Н; F – площадь сечения гладкой части БТ, м2, которая
определяется по таблице.
сж =25000/7,14·10-4 = 35035350,67 Па
=35,03 МПа;
Напряжение
изгиба, возникающее в трубах при работе КБТ в скважине, определяется по
формулам
из= из'+из'', из'
где f – стрела прогиба
труб, м Dскв. – скважины с учетом разработки, м; D' – наружный диаметр
резьбовых соединений БТ, м.
f = =0,023 м
Lп=м
Для
сечения 2 – 2 (забой скважины) Z2 = Zо-о=410,67 м.
Осевой
момент сопротивления изгибу Wо, м3 в расчетном сечении БТ равен
Wо = 8,34·10-6 м3. Угловая скорость вращения БТ 31,4 с.
Lп==17,88 м;
из'= =71399340,25 Па =71,4 МПа;
из= из'= 71399340,25 Па
=71,4 МПа;
Касательное
напряжение кручения зависит от крутящего момента, передаваемого на КБТ, и
определяется по формуле
=, Па
Крутящий
момент определяется по формуле
Mкр =, Н·м
Мощность
(Nб) определяется по
формуле
Nб = 1,5 Nзаб=1,5·12,09=18,14 кВт =
18,14·103 Вт;
Мощность
на разрушение забоя скважины определяется по формуле
Nзаб =1,02·10-7 0,17·25000·93·300 = 12,09465 кВт
= 12,09·103 Вт;
Mкр = 18,14·103
/ 31,4 = 577,76 Н·м;
Полярный
момент сопротивления площади поперечного сечения гладкой части БТ кручению, Wр= 1,67·10-5 м3.
=577,76/ 1,67·10-5
=34649458,59 Па = 34,65 МПа;
Суммарное
напряжение, действующее на КБТ
[Т]
=127,006 МПа 490МПа ;
n =
n = 490/(127,006·1,5)= 2,57 > 1,6
[Т]=490·106 Па –
предел текучести материала БТ. Сталь марки 36Х2С. [1]
Из
расчетов видно, что коэффициент запаса прочности больше допустимого, и тип
выбранных труб удовлетворяет условиям задания.
сж1 = 30,76 МПа из1= 70,87 МПа = 36,95 МПа
сж2 = 35,03 МПа из2 = 71,4 МПа = 34,65 МПа
Рис. 2
Положение сечения «0 – 0» и эпюры напряжений, действующих в бурильных трубах
при бурении с дополнительной нагрузкой:
0 – 0
«нулевое» сечение ZО-О=410,667м; сечение 1 – 1 Z1 =360,667 м (устье
скважины); сечение 2 – 2 Z2 =410,667м (забой скважины);
а –
напряжение сжатия сж1 = 30,76 МПа сж2 = 35,03 МПа;
б –
напряжение изгиба из1= 70,87 МПа из2 = 71,4 МПа;
в –
касательное напряжение 1 = 36,95 МПа 2 = 34,65 МПа
Список
использованной литературы
1) «Буровые машины и
механизмы» Методические указания к выполнению контрольных работ составитель:
В.В. Лысик, ст. преподаватель кафедры ТиТР МПИ.
2) Лекции по
предмету «Буровые машины и механизмы»