книги / Трубы нефтяного сортамента

Установив прибор на заданном расстоянии от первого сечения так, чтобы наконечник микровинта совпадал с разметочной лини­

ей, можно найти наибольшее показание по индикатору. Отклонени('"

стрелки индикатора от первоначального нулевого положения будет

характеризовать отклонение конусности от номинального значения

на выбранной длине.

При измерении конусности необходимо следить, чтобы во всех случаях наконечники прибора устанавливались в диаметрально противоположные впадины, образованные витком при одном и том же направлении винтовой линии.

Шариковые наконечники в процессе измерений должны прижи­ маться к одной и той же стороне профиля резьбы.

/(онтроль шага резьбы

Шаг резьбы измеряют с помощью накладного индикаторного шагомера типа ши.

Прибор на нуль устанавливают по соответствующему резьбово­

му калибру-пробке, используемому как эталон. Положение прибо­ ра при контроле резьбы трубы должно быть таким же, как и при его настройке по калибру, т. е. если траверса прибора устанавлива­ лась у большего диаметра калибра-пробки, то и при измерении трубы траверса должна устанавливаться у большого диа.метра резь­ бы трубы, и наоборот (рис. 3.33).

Шариковые наконечники должны одновременно касаться впа­

дины профиля и одной из боковых сторон профиля.

Диаметры шариковых наконечников выбирают в пределах 1,8-

2,2 мм. При настройке шагомера по резьбовому калибру-пробке и

при измерении шага резьбы трубы отжим прибора необходимо про­ изводить таким образом, чтобы неподвижный и подвижный нако­ нечники касались одной и той же стороны профиля, при этом нуж­ но следить, чтобы оба неподвижных наконечника были плотно при­

жаты к одной стороне профиля.
Отклонения шага на длине 25,4 мм (5	ниток) не должны пре­
вышать +0,05 мм, а на всей длине резьбы -	+0,1 мм.

Рис. 3.33. Схема проверки отклонения шага резьбы шагомером ШИ трапецеи­

дальных резьб ТТ труб:

а - установка шагомера по резьбовому калнбру·пробке: 1 - инднкаторный шагомер типа

ШИ; 2 - резьбовой калибр·пробка; б - проверка шага резьбы на трубе: 1 - нндикаторный

шагомер типа ШИ; 2 - проверяемая труба

13!

Контроль углов наклона профиля

Углы наклона профиля можно контролировать на образцах, от­

резанных от трубы, а также с помощью ОТ.1ИВОК, сделанных с резь­ бы и измеряемых затем инструментальным пли универсальным

микроскопом. Ширина отливки должна быть не более 5 мм, так как

вогнутая поверхность отливки вносит искажения при измерении

профиля микроскопом.

Контроль высоты профиля

Высоту профиля измеряют специальным индикаторным глуби­ номером, состоящим из колодки и укрепленного в ней индикатора

часового типа (см. рис. 3.28).

В измерительном стержне индикатора укреплен контактный на­ конечник конической формы с углом конуса 40-500, вершина на­

конечника скруглена радиусом приблизительно 0,15 мм.

Индикаторный глубиномер устанавливают по специальному

шаблону или по плоской доведенной поверхности. В последнем

случае высота профиля определяется как разность отсчетов по ин­

дикатору при установке на плоскость и в проверяемой резьбе.

При измерении конусный наконечник устанавливают во впадину

резьбы инебольшим перемещением по оси резьбы определяют по­

ложение, соответствующее наибольшей глубине резьбы, а покачи­

ванием прибора находят наименьшее показанпе по индикатору.

Высота профиля резьбы должна находиться в пределах 1,65-

1,75 мм.

Контроль сооснОСТU резьбы и конического оСтабилизирующего пояска

Соосность резьбы и конического пояска контролируют с по­ мощью специального индикаторного приспособления (рис. 3.34). При измерении основание устанавливается по вершинам резьбы

вдоль образующей, для ограничения осевого перемещения упорная

П.'lанка прижимается к торцу трубы, при этом наконечник индика­

-тора,должен касаться поверхности конического пояска примерно в

середине его рабочей длины.

Проверку производят по всей длине окружности в пределах од­

ного оборота. Разница между наибольшим и: наименьшим показа­

ниями индикатора в диаметрально противоположных сечениях, ха­

рактеризующая удвоенное отклонение от соосности оси резьбы и

оси конического стабилизирующего пояска, не должна превышать

0,08 мм.

Контроль nерnендикулярности торца трубы 'Относительно оси резьбы

Перпендикулярность торца контролируют с помощью специаль­ ного индикаторного прибора (рис. 3.35).

132

	Р,ис. 3.34. Схема контроля со­					Рис. 3.35. Схема контроля перпенди­
	оснасти резьбы ТТ и кониче­					кулярности торца трубы отнооитель­
	ского стабилизирующего				пояс­	но 'резьбы:
	ка:					1 - основа,ние	приспособления; 2 - ролик;
	1 - упорная	пл·анка; 2 - основание				3 - призма; 4 -	индикатор; 5 - ползун
	п]>нспособления; 3 - индикатор
	Основание		прибора		устанавливают по
	вершинам	резьбы		вдоль образующей, при
	этом ролик, укрепленный в призме, должен 1
	быть плотно прижат к торцу трубы.
	Ползун с закрепленным в нем индикато­
	ром часового		типа	располагается так, что­
	бы измерительный			наконечник		индикатора
	контактировался с торцом трубы с диамет­
	рально противоположной стороны от места
	касания ролика.
	Проверка		производится по			длине ок­	Рис. 3.36. Схема конт­
	ружности в	пределах одного оборота. Раз­
	ница между наибольшим и наименьшим по­						роля	неплоскостнОСТИ
							торца	трубы:
	казаниями индикатора при установках при­
							1 - лекальная линейка; 2 -
	бора в диаметрально противоположных се­
							щуп
	чениях (под		1800),	характеризующая удво­

енную величину неперпендикулярности торца трубы относительно

оси резьбы, не должна превышать 0,12 мм.

Проверка неnлоскостностu торца ',трубы

Неплоскостность торца трубы проверяют с помощью лекальной

линейки и щупа (рис. 3.36).

Лекальная линейка плотно прижимается к торцу трубы в диа­

метральном сечении. Пластинчатый щуп толщиной 0,1 мм не дол­

жен входить в зазор, образовавшийся между линейкой и торцом

трубы со стороны наружной или внутренней поверхности трубы.

133

rЛАВА 4

РАСЧЕТ БУРИЛЬНЫХ КОЛОНН

На бурильную колонну действуют различные по характеру уси­

лия:

а) осевая растягивающая нагрузка от собственного веса и перепада давления на долоте и забойном двигателе;

б) осевая сжимающая нагрузка от собственного веса; в) изгибающий момент, возникающий при вращении колонны;

г) крутящий момент, необходимый для вращения колонны и

п~редачи энергии долоту при роторном способе бурения;

д) реактивный момент забойного двигателя;

е) гидравлическое давление бурового раствора в радиаЛhНОМ и

осевом направлениях;

ж) силы трения о стенки скважины и обсадную колонну;

. з) осевые нагрузки, возникающие при затяжках и прихватах

бурильной колонны; инерционные силы, проявляющиеся при спуско­

подъемных операциях, и др.;

и) изгибающий момент при работе в наклонной и искривленной

колоннах:

к) ·изгибающие моменты, возникающие при бурении с плавучих

средств в связи с перемещением судна;

л) продольные, поперечные и крутильные колебания, действую­

щие преимущественно в нижней части колонны и зависящие от уравновешенности вращающейся колонны, степени однородности

разбуриваемых пород, устойчивости режима работы забойного дви-

гателя и др.

.

Характер нагрузок, действующих на бурильную коланну, не постоянен, а изменяется по длине. В работе колонна теряет устой­

чивость прямолинейной формы, принимая в общем случае форму rфостранственно-изогнутой кривой.

УСТОЙЧИВОСТЬ бурильной колонны

Jlстойчивость при осевых сжимающих нагрузках

Осевая сжимающая нагрузка на долото осуществляется частью

собственного веса утяжеленных труб, которые при этом могут под­

вергнуться продольному изгибу в результате потери устойчивости

прямолинейной формы равновесия.

В зависимости от степени податливости нижнего конца колонны (опертый или защемленный конец) критическая нагрузка, при ко­ торой колонна потеряет устойчивость, определяется (в Н) из выра­

жения
Ркр = (1,94- 3,35) VЕ1 q;.	(4.1)
Масса труб (в кг), соответствующая критической нагрузке,
Е!	(4.2)
Q=(1,94-3,35) V..-g - q2.

134

Выражение (4.1)		распространяется	на колонну длиной	(8,8-
3	г--
12,5) ХУ E//gq,
где Е/ -	жесткость сечения, Н· м2 ; q -		масса 1 м колонны,	кг/м;
qT - вес	1 м труб,	Н/м.
Для меньших длин Ркр определяется из рис. 4.1. Для колонны
значительной длины		(см. рис. 4.1) Ркр будет зависеть только от гра­

ничного условия на нижнем конце и может практически принимать­

ся равным значению, приведенному в (4.1).

На изогнутом участке колонны образуется как сжатый, так и раСТЯhУТЫЙ участок. Длина сжатого участка соответствует осевой

сжимающей нагрузке.

В том случае, когда растянутый участок отсутствует, искривле­ ние произойдет под действием веса всей колонны. Для стержня с

нижним и верхним опертыми концами критическая длина
IKP = 265	V	-EГ	(4.3)
,		qg

По этой формуле определяют наибольшую длину свечей. Крити­

ческие нагрузки, приведенные выше, рассчитывались для колонны,

имеющей одинаковую жесткость (Е/) по всей длине.

Если используются одновременно два размера утяжеленных труб

(например. 178Х203), то критическая нагрузка будет зависеть от

соотношения длин труб каждого размера и определяться для опер­

того конца из рис. 4.2. На оси ординат указаны критические нагруз-

_ 3/ -

кивбезразмерныхвеличинахП=Рнр/ у E/1(qlg)2; на оси абсцисс от-

--

!J!L

"'J-

/ "

~

I

-2

---

3

/1

F.

К

2

---

V

о

2

Б

8

10 _l_

W

Рис. 4.1. Зависимость между крити­ ческой нагрузкой 'и длиной колонны:

1 - верхний	конец	защемлен, нижннй
оперт; 2 - оба	кюнца	оперты; 3 - оба кон­

ца защемлены; 4 - верхний конец оперт, нижний защемлен

Рис. 4.2. Зависимость между крити­ ческой нагрузкой и длиной для дпух­

п

J,O 'Л,=ZО

2,8

2,8

2,7

2,Б

2,5

2,'1

г,З

г,г

2,1

2,0

1,9

1,8

1,7

1,0

1,S

1,'1

размерных УБТ (178Х203)

J

S

Б

7 А,

131>

3 --=-::-:--	Кривые построены для различных длин
ношение Л=l/у El /q1g.
1

УБТ, которые даны в безразмерных величинах л= {1Л. в приведен­

ных зависимостях: Рнр - критическая	нагрузка, приложенная	к
нижнему концу колонны, Н; q1 - масса	1 м нижней секции, кг/м;
[1 - длина нижней секции, м; [ - общая длина УБТ, м; El 1 -		мо­
мент инерции площади сечения труб нижней секции, см4 .

Значению л= О соответствует критическая нагрузка для колон­ ны, состоящей только из труб верхней секции. В зависимости от л

~

и Л определяют П и РRр=ПVEltq~.

Для двухразмерной конструкции УБТ длину нижней секции сле­

дует принимать ~O,5 l (см. рис. 4.2).

Устойчивость при кручении

Для колонны с опертыми концами, сжатой (растянутой) сила­

ми собственного веса, крутящий -момент, при котором колонна те­

ряет устойчивость прямолинейной формы, определяют (в Н· м) из

выражения

М	1/	4 л;2(ЕI)2	=t 2 qlgEI.	(4.4)
	_ r	[2

Знак минус соответствует сжатой колонне.

Как видно из уравнения, собственный вес колонны уменьшает

критическое значение крутящего момента.

Для растянутой колонны критический момент вначале уменьша­

ется с увеличением длин~, однако, если длина колонны больше

lтах= 113 (4 л;2Е f потеря устойчивости будет наблюдаться на дли-

--qg-'

не ~lmax, а остальная часть колонны сохранит прямолинейную форму под действием собственного веса. Для труб, применяемых

при бурении, критический момент при длине lшах превышает дейст­

вующие моменты, поэтому колонна в растянутой части не теряет устойчивости под действием крутящего момента.

Устойчивость при вращении

в процессе бурения вращающаяся бурильная колонна в отличие от холостого вращения будет иметь как растянутый, так и сжатый участки, на которые действуют центробежные силы.

Критическую частоту вращения колонны находят (в об/мин) из

выражения

n = 30 т ""lI {_1 (Е f т2 л;2				+ Р + о 5	g q	1)	,	(4.5)
[	У	q	[2	- - ,
где Р -	концевая сила, Н; [ - длина колонны, м.

Знак плюс относится к растянутой части колонны, минус - к

сжатой. При больших значениях т, соответствующих применяемым

в практике частотам вращения ротора, пренебрегать жесткостью

136

сечения Е/ нельзя. При малых значения т и большой длине l мож­

но принять Е/ =0.

Частота вращения, при которой произойдет потеря устойчивости

на коротком участке между бурильными замками (/Т), определяет­

ся (в об/мин) по формуле

n = 30 л;	l! Е/	(4.6)
1;	J' q

В процессе бурения при вращении колонна, потеряв устойчи­

вость, образует полуволны, длина которых определяется по форму­

ле Г. М. Саркисов~
L =	10	,.!	0,5 z +	V		2' Е1 ro~		,	(4.7)
	~	у			0,25 z +		10~ q
где Е -		модуль упругости,				Н/м2 ; / -		момент инерции сечения, м4 ;
q -	масса 1 м трубы,				кг/м;	z -	координата того места колонны,

где определяется длина полуволны (для растянутой части эту ве­ личину нужно принимать положительной, для сжатой - отрица­ тельной; отсчитывать следует от плоскости 'раздела сжатой и рас­ тянутой частей), м; (t) - угловая скорость, м/с2 •

Устойчивость при воздействии бурового раствора

Потеря устойчивости колонны возможна при спуске колонны с обратным клапаном, установленным над долотом, когда q для не­

которых размеров труб может быть меньше qи.

Если	q<qll,	а qв~l(qн-q)/(/-lо), то потери	устойчивости
не произойдет		(qH - масса 1 м жидкости, вытесненной колонной,
кг/м; qB -	масса 1 м жидкости внутри колонны; [о -		расстояние от

устья скважины до уровня жидкости в колонне, м).

Если q<qп, а l(qh-q)/(l-lо»qв~l(qн-q), то				потеря ус­
тойчивости произойдет при критической длине
[кр -- r З~ qB g (I-lo)	+ т JV	Е/	,	(4.8)
. у Е/ [(qи-q) g]2		(qи-q)	g

где т определяется при следующих значениях:

n		. . . . .			О	0,1	0,3	0,5	1	2	3
т	......... 1,981,99						2,02	2,07	2,22	2,32	2,34
n =	(/-/0)	V g (qи-		q)		(_q_B-	- 1) .
			Е/			• qи- q
	Если 10=/, т. е. колонна не заполнена жидкостью, то
[кр	= 1,98	V g	( Е/		)'						(4.9)
	.		qи-q
	При отсутствии обратного клапана I[q> (qH - qR)]									колонна, по­

груженная в жидкость, устойчивость не теряет.

5 Зак. 471 .

137

- действие движущейся жидкости на колонну отличается от рас­

смотренного влияния гидростатических сил, создаваемых весом

столба жидкости. Внешнее РН и внутреннее РВ избыточные устьевые

давления не оказывают влияния на устойчивость KO.'IOHHbI, если дав­

ление действует на замкнутую поверхность трубы.

При выходе из колонны жидкость не ограничивается З,НliШУТОЙ

полостью. В этом случае при определенных условиях КО.l0нна мо­

жет потерять устойчивость, искривляясь в основном В нижней части

над долотом. Критические значения перепада давления при выхо­

де жидкости из колонны определяют из выражения

k VEI [(q-qж) g-dкFи-dт Fв]2

(РО)КР = -~-----------­	(4.10)
Fo

Для свободно подвешенной колонны при k = 2,55 происходит по­

теря устойчивости с переходом в режим движения; для колонны,

опирающейся на забой, потеря устойчивости произойдет при k=

= 1,94 с переходом к смежной форме равновесия.

устойчuвость в общем случае нагруженuя.

Для общего случая нагружения критическая нагрузка от собст­

венного веса с учетом переIIада давления и скорости движеЕИЯ бу­

рового раствора

РКР

= (1,94-3,55)

VBI[(q-qж) g-/).TFB -/).KFH]2 -

-

Ро ро- ~

(рв

v~ +рк v~),

(4.11 )

10

где q, qж -

масса единицы длины трубы и масса жидкости, кг/м;

/).Т,

/).И - потери давления жидкости на единице длины колонны в

трубах и кольцевом пространстве, Па/м; рн и рв -

площадь трубы

по наружному и внутреннему диаметрам, м2 ; Ро -

перепад давле­

ния

в долоте,

Па; ро - площадь

проходного отверстия, м2 ; Уж-

удельный вес жидкости, Н/м3; V B ,

VИ - скорость жидкости в трубах

и

кольцевом

пространстве, м/с;

Fи -

площадь

кольцевого сече­

ния,

м2 •

Критическая частота вращения колонны для общего случая на­

гружения

n =

30 т

.. /

( т2 n2 EII

+ Р_

Р

+ о 5

l

)_1

1

V

[2

-

0 - '

q g

q'

где

РО = Роро + [(уж + /).к) рн - (Уж - /).т) рв] _l_ + УЖ
2	10

длина полуволны изогнутой колонны при вращении

L =	~ .. / о 5 А + Vo 25 А2+ Е1 (()2
.	(() ,V'	,	102 q ,

(рв v2 + рк v2 ) .

в к

(в м)

(4.12)

138

где

А=г- l~:q (FBV~+FKV~)- ~oo:o -[('УЖ + PiK) рн -

_ ('У	_ 12) р]		[о + z .
ж	1	в	10 q ,
10 -	длина сжатой колонны, м; ,Z ~ координата того места ко­

лонны, где определяется длина полуволны (для растянутой части

значение .г следует принимать положительным, для сжатой - отри- .

цательным), м; РК, РТ - потери давления в колонне и затрубном

пространстве, Па; q - масса 1 м трубы, кг/м; 'Уж - удельный вес

жидкости, Н/м,З.

С ростом скорости движения и давления бурового раствора дли­

на полуво.'IНЫ уменьшается.

Разность в длинах полуволн, определенных по формулам (4.7)'

и (4.12), увеличивается с приближением к устью скважины.

Нагрузки и напряжения

Растяжение и сжатие

Статические напряжения. В вертикальной скважине осевые на­ пряжения в колонне, подвешенной в жидкости, определяются (в

Н/м2) из выражения

g (QT + а) (1- ~)+ Qбg ( 1:-- ~)

()"=		F		(4.13)
где QT -	;\IaCCa УБТ, кг; Qб -'масса бурильных труб в колонне, кг;
G - масса долота и забойного двигателя, кг; 1б -				длина буриль­
ных труб	(без УБТ), м; [х -		расстояние ОТ начала бурильной ко­
.ТIOнны (без УБТ) дО рассматриваемого сечения, м;				'Уж - удельный
вес бурового		раствора, Н/мЗ ;	'у - удельный вес материала труб,
Н/мЗ; F -	площадь сечения труб, м2•
Из (4.13)		следует, что при 1х/lб<'У*/У в нижней		части буриль­

ной колонны будет сжатый участок. Наличие УБТ существенно

уменьшает сжимающие напряжения в бурильных трубах. Наибольшие растягивающие напряжения действуют у устья

их= lб). с достаточной для практических расчетов точностью наи­

большие растягивающие напряжения для колонны в вертикальной скважине определяются (в Па) из выражений:

а) для колонны в подвешенном состоянии при отсутствии движе­

ния раствора

Ор =	(Qб+Qт+G) g(l-уж/у)	(4.14)
	F
5* Зак.	471	139

б) для колонны в подвешенном состоянии в пр6цессе движения бурового раствора

	r	1 (	~K+~T)	1
			Уж+~к+ -Р-	РПJg+рп (РП-Р'1'>+(Рт- РО) Pu
	(Qб+Qт+G) L1- У
~=		,	Р	t
				(4.15)

где L1т, L1н - потери давления в трубах и кольцевом пространстве на

длине 1 м, Па/м; РП - площадь проходного канала трубы, м2 ; Рп­

перепад давления на турбобуре, Па; РТ - площадь канала вала

турбобура, м2 ; F o - площадь промывочных отверстий ДО.10та, м;

Ро - перепад давления на долоте, Па.
	С учетом упрощения выражения (4.15) ар определяется		(в Паl
из	выражения
	Qp	k (Qб + QT + О) (1- ~ж) g + (Рп+ Ро) РП
О'р	= -	= --------'----'---'-----.----	(4.16)
	F	Р
где k -		коэффициент, учитывающий влияние сил трения,	сил со­

противления движению бурового раствора и сил инерции, принима­

емый 1,15.

Приближенно величина ар может быть определена (в Па) ш

формулы

О'р= l,15ko (У-Уж) 1,

(4.17)

где 1 - вся длина бурильной колонны; ko- коэффициент, учитыва­

ющий влияние бурильных замков и высаженных концов труб. Для

стальных труб принимается ~. 1,1.

Если колонна составлена из труб с разными материалами (лег­ косплавные и стальные), то (4.16) определяется по формуле (в Па)

k(Qт+Qб+G)(I- Уж)g+kQа(l_ Уж) g+(рп+ро) Ре

О'р=	Уа	Уа	• (4.18)
	р
где Ус -	удельный вес стали, HjM 3; Уа -	удельный	вес алюминие­

вого сплава, Н/м3; Qa - масса труб из алюминиевых сплавов, кг.

Наибольшее сжимающее напряжение в подвешенной колонне

будет при отсутствии перепада давления в сечении lx=O при усло-

вии	Уж	Уж
	(QT+G) (1- --)<,Qб--. в процессе бурения часть веса ко-
	'v	'v

лонны передается на забой, растягивающие напряжения уменьшаются, а сжимающие увеличиваются. Тогда наибольшие сжимаю­ щие напряжения (при условии соблюдения указанного выше нера­ венства) можно определить из выражения

ag [(Qt+G)(I-~)-Qб ~J-Qд

О'с =

(4.19)

Р

140