Расчет устойчивости и вписываемости колонковых снарядов в направленную скважину

Устойчивость бурового снаряда имеет важное значение для обеспечения вертикальности ствола скважины.

Расстояние l между забоем и первой точкой контакта колонковой трубы со стенкой скважины находят из уравнения.

, (5.11)

где l_кр -критическая длина полуволны; Р_при – передаваемая осевая нагрузка на забой, Н; Е – модуль упругости материала колонковой трубы, Па; J – осевой момент инерции колонковой трубы, м⁴.

Угол отклонения оси бурового снаряда от оси скважины у забоя

, (5.12)

где ∆=(D – d)/2 - радиальный зазор (D и d соответственно диаметр ствола и колонковой трубы).

Представление о максимально возможной кривизне скважины, формируемой при тех или иных условиях работы колонковых снарядов, дает понятие об их вписываемости, т.е. возможности их перемещения без деформации по стволу скважины, имеющему предельную для данных параметров снаряда кривизну.

Условие вписываемости бурового снаряда [3] по допустимой кривизне К_δ устанавливают по формуле:

, (5.13)

где l_δ- длина бурового снаряда.

В случае, если колонковый снаряд имеет достаточную жесткость и прямолинеен, то отклонение от оси ствола кривизну устанавливают с помощью следующей зависимости:

. (5.14)

Если колонковый снаряд деформируется, то максимальное значение кривизны К определяется по уравнению:

. (5.15)

Допустимая кривизна скважины определяется из условия прочности бурового снаряда и в зоне на расстоянии от забоя до нулевого сечения бурильной колонны определяется из выражения.

, (5.16)

где - предел выносливости при симметричном цикле (для стальных труб геологоразведочного сортамента может быть оценен величиной приблизительно 50 МПа[8], а для труб из сплава Д16Т – 31 МПа).

Допустимая кривизна скважины у забоя определяется по формуле

(5.17)

где - предел текучести материала труб; - предел выносливости при симметричном цикле, Па; - нормальные напряжения от действия осевой нагрузки, Па.

Введение УБТ в компоновку нижней части бурильной колонны при колонковом бурении позволяет уменьшить отклонение оси бурового снаряда от оси скважины. Выбранные соответствующего диаметра и необходимой длины УБТ следует проверить на устойчивость по следующей формуле

, (5.18)

где l_кр(у)- критическая длина УБТ, которая может находиться под действием собственной массы без потери устойчивости, м; J_у- осевой момент инерции площади поперечного сечения УБТ, м⁴

, м⁴ (5.19)

где D_y и d_y – наружный и внутренний диаметры УБТ, м.

Если длина УБТ будет больше, чем l_кр(у), то секция УБТ теряет прямолинейную форму устойчивого равновесия. Предупредить возможные искривления ствола скважины можно с помощью промежуточных опор – центраторов.

Расстояние между центрирующими элементами l_ц можно определить из выражения:

. (5.20)

С учетом значения критической длины полуволны изогнутой оси снаряда l_кр равно:

, (5.21)

Где ω- угловая скорость вращения бурового инструмента; - вес единицы длины.

Пример 1. найти расстояние между забоем и первой точкой контакта колонковой трубы со стенкой скважины, если известно, что колонковая труба диаметром 57 мм имеет осевой момент инерции J=26,4·10^-8м⁴; осевая нагрузка на коронку диаметр ствола скважины D=60мм.

Решение. По формуле (5.11)

Вывод: при осевой нагрузке колонковая труба диаметром 57мм и длиной l_kp более 3,3м будет деформироваться в теле трубы. При l_kp.<3,3м колонковый снаряд будет отклонен от оси скважины.

Угол отклонения оси снаряда от оси скважины у забоя по формуле (5.12)

где Δ=(60-57)/2=1,5мм

Пример 2. Оценить устойчивость колонкового снряда для условий и решения предыдущего примера, если известно, что длина колонковой трубы l l_kp =4,5м; масса 1м трубы q_к.т.=5,23 кг/м=5,23·9,81=51,3 Н/м; угловая скорость вращения компоновки ω=3,14·600/30=62,8с^-1, Р_при=12000Н.

Решение. По формуле (5.21) критическая длина полуволны изогнутой оси снаряда

.

Условие устойчивости не соблюдается, так как 4,5>2,16 м.

Угол отклонения оси снаряда

.

где

Пример 3. Определить допустимую кривизну скважины из условия прочности бурильной колонны, составленной из труб ЛБТН – 54 в зоне нулевого сечения для следующих условий: масса 1м труб ЛБТН - 54 q=4,4кг/м -43,2 Н/м; - 13 кН; J=34,12·10^-8м⁴; W=10,25·10^-6м³; площадь сечения труб по резьбе S=9,37·10^-4м²; модуль упругости Е=8·10¹⁰Па; предел текучести σ_т=330·10⁶Па; предел выносливости при симметричном цикле =31·10^-6Па; промывочная жидкость – вода.

Решение. Положение нулевого сечения

.

Допустимая кривизна скважины в зоне нулевого сечения по формуле (5.17)

, рад/м

Допустимая интенсивность искривления

.

Нормальные напряжения от действия осевой нагрузки

.

Пример 4 Рассчитать критическую длину УБТ диаметром 89 мм (УБТ-РПУ-89) общую длину УБТ и длину сжатой части колонны, если осевая нагрузка на забой Р_при=18,5 кН.

Решение. Внутренний диаметр УБТ d_y=45мм; а масса 1м q_y=36,1кг/м=354,1Н/м.

Осевой момент инерции

Критическая длина УБТ по формуле (5.18)

Общая длина

Расчет показал, что l_у>l_кр(у).Следовательно, под действием собственного веса УБТ деформируется.

Точка контакта будет находится от забоя на расстоянии

Исходные данные указаны в таблице 5.4

Требуется: определить расстояние между забоем и первой точкой контакта колонкового набора со стенкой скважины, а также угол отклонения оси снаряда от оси скважины, если снаряд будет сохранять прямолинейность.

Таблица 5.4

Исходные данные к задаче 1 работы 5.3

Задача 2 работы 5.3. Исходные данные указаны в таблице 5.5

Требуется: оценить устойчивость колонкового снаряда и угол отклонения оси снаряда от относительно оси скважины.

Таблица 5.5 Исходные данные к задаче 2 работы 5.3

Задача 3 работы 5.3. Исходные данные указаны в таблице 5.6.

Требуется: определить допустимую кривизну скважины, допустимую интенсивность искривления и нормальные напряжения от действия нагрузки.

Таблица 5.6

Варианты исходных данных к задаче 3 работы 5.3

Варианты	Бурильные трубы	Вес 1м трубы, Н/м	Осевая нагрузка на забой Рпри , кН	Момент инерции J, м2	Полярный момент сопротивления W, м3	Площадь сечения труб по резьбе S, м2	Е, Па	σт, Па	, Па	Вид промывочной жидкости
	ЛБТН-54	43,2		35·10-8	11·10-6	10,5·10-4	8·1010	330·106	81,5	вода
	СБТ-42	45,6		10,2·10-8	4,9·10-6	5,8·10-4	2·1011	570·106	50,2
	СБТ-50	60,4		19,3·10-8	7,87·10-6	7,69·10-4	2·1011	680·106	63,2
	СБТ-63,5	85,1		44,7·10-8	14,59·10-6	10,83·10-4	2·1011	730·106	68,7
	ЛБТН-54	43,2		34·10-8	11,2·10-6	10,6·10-4	8·1011	340·106	32,6
	СБТ-42	45,6		10,1·10-8	4,8·10-6	5,9·10-4	2·1011	580·106	51,2
	СБТ-50	60,4		19,4·10-8	7,97·10-6	7,79·10-4	2·1011	690·106	64,2
	СБТ-63,5	85,1		44,8·10-8	14,69·10-6	10,93·10-4	2·1011	740·106	69,2
	СБТ-42	45,6		10,2·10-8	4,9·10-6	5,95·10-4	2·1011	585·106	51,8
	СБТ-50	60,4		19,5·10-8	7,99·10-6	7,85·10-4	2·1011	695·106	65,2

Задача 4 работы 5.3. Исходные данные указаны в таблице 5.7.

Требуется: рассчитать критическую длину УБТ и общую длину УБТ.

Таблица 5.7

Варианты исходных данных к задаче 4 работы 5.3

Контрольные вопросы к задаче 5.3

1. Что такое «нулевое сечение» бурильной колонны?

2. Как определяется кривизна колонкового набора?

3. Как определяется критическая длина полуволны изогнутой оси бурового снаряда?

4. Как определяется предел выносливости материала бурового снаряда на кривизну бурового снаряда?

5. Как можно предупредить возможные искривления оси скважины?