Задача расчета бурильной колонны на прочность
Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению из-за действия напряжений, которые возникают в результате воздействия различных внешних сил.
Задачей расчета бурильной колонны на прочность является составление рациональной и оптимальной компоновки бурильной колонны, которая сможет противостоять всем видам нагрузок, которые могут возникнуть в бурильной колонне во время выполнения любых работ в скважине в процессе ее проходки.
Расчет бурильной колонны на прочность, как правило производится применительно к моменту окончания бурения скважины или по окончании бурения отдельных интервалов (если есть вероятность того, что напряжение в колонне может быть выше, чем в конце процесса бурения). При бурении с гидравлическим забойным двигателем бурильная колонна рассчитывается на сопротивление:
- Смытию в клиновых захватах.
- Суммарным растягивающим нагрузкам, при этом учитываются напряжение изгиба и кручения.
- Наружному избыточному давлению.
- Внутреннему избыточному давлению.
Расчет бурильной колонны на прочность при бурении с гидравлическим двигателем
Гидравлический двигатель – это гидравлическая машина, которая используется для преобразования гидравлической энергии в механическую.
Гидравлические двигатели могут быть двух видов:
- Объемные.
- Лопастные.
Объемные гидравлические двигатели классифицируются по характеру перемещения выходного звена: гидроцилиндры, гидромоторы, поворотные гидродвигатели. Одна из особенностей объемных гидродвигателей, отличающая его от гидродинамического заключается в высоком давлении в гидросистеме. Оно может достигать 300 МПа. В лопастных гидродвигателях движение выходного звена происходит из-за использования кинетической энергии потока рабочей жидкости. Примером лопастного двигателя является турбина, движение лопастей которой осуществляется при помощи направления струи жидкости. У данного типа двигателей ведомое звено может совершать исключительно вращательное движение.
Осевое напряжение, сложившееся в самом напряженном сечении от суммарных растягивающих нагрузок от веса колонны, с учетом плавучести, сил трения и гидравлической осуществляется по формуле:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, S - площадь самого нагруженного сечения; Fp - нагрузка, создаваемая собственным весом бурильной колонны; Fг - гидравлическая нагрузка.
Формула для определения напряжение изгиба от вертикального участка к участку, в котором происходит набор зенитного угла выглядит следующим образом:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, Wo - осевой момент сопротивления труб по отношению к изгибу.
Осевой момент сопротивления труб по отношению к изгибу вычисляется по следующей формуле:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, d - внутренний диаметр труб.
Таким образом нормальные напряжения представляют собой сумму изгибающих и растягивающих напряжений:
Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Затем определяются касательные напряжения относительно крутящего момента:
Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
де, Wп - полярный момент сопротивления.
Полярный момент сопротивления рассчитывается по формуле:
Рисунок 6. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
После этого определяются момент на холостой ход породоразрушающего инструмента. Затем необходимо вычислить результирующее напряжение, в случае, когда известны растягивающие, изгибающие и касательные напряжение, результирующие можно определить по следующей формуле:
Рисунок 7. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
После определения результирующих напряжений становится возможным рассчитать коэффициент запаса прочности по ним. Данная формула представляет собой отношение предела текучести к результирующим нагрузкам.
Рисунок 8. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значение коэффициента запаса прочности колонны по результирующим напряжениям сопоставляется с нормативным значением. Данный коэффициент должен быть равен или больше значений, которые предусмотрены техническими нормативами и таблицами. Если данное условие не выполняется, то трубы меняются на более прочные и расчет начинают заново.
При использовании многоразмерной бурильной колонны (имеющей разные диаметры, толщину стенок и т.п.) коэффициент запаса прочности определяется по формуле:
Рисунок 9. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Коэффициент запаса прочности по отношению к наружному избыточному давлению рассчитывается по формуле:
Рисунок 10. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, Рни - наружное избыточное давление; Ркр - критическое давление, действующее на трубы.
Полученное значение запаса прочности сравнивается с нормативным, но при этом оно не должно быть менее 1,15.
Далее необходимо определить напряжение в теле трубы, которое создается из-за клиновых захватов:
Рисунок 11. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, S1 - площадь сечения трубы, которая оказалась в клиньях; Скл - коэффициент охвата трубы клиньями; dср - усредненный диаметр трубы; l - длина плашек клина; Fo - осевое усилие у устья скважины; f и ф- угол трения и угол уклона.
Таким образом запас прочности бурильной установки высчитывается по формуле:
Рисунок 12. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
