1.3 Розрахунок колонної головки

На колонну головку діє вага обсадних колон, високий тиск робочого середовища. В багатьох випадках елементи обладнання піддаються корозії, гідравлічній ерозії від циркуляції промивального розчину, дії високих (150 – 250 ^оС) або низьких (до -60 ^оС) температур, розтягуючому зусиллю внаслідок температурних видовжень, незацементованої або неякісно зацементованої частини обсадних колон.

Під дією інтенсивного потоку рідини внутрішня поверхня елементів колонної головки зношується. З врахуванням важких умов роботи і тривалою експлуатацією основні елементи колонної головки (корпуси, хрестовини, котушки та ін.) виконуються значної товщини, литими, рідше із комбінованих заготовок з литим корпусом і привареними кованими або штампованими горловинами і фланцями. Основні деталі виготовляються зі сталей, легованих хромом, марганцем, нікелем, молібденом (сталі марок 40ХН, 40Х, 35ХМ, 20ХГС), клини – з сталі 20 з цементацією і гартуванням або із сталі 40ХН з гартуванням. При розрахунку деталей коефіцієнт запасу міцності береться не менше 2,5 – 3,0.

Для розрахунку деталі колонних головок розбивають на окремі елементи. Більшість елементів мають основну форму у вигляді циліндричної оболонки. Якщо товщина стінки деталі не перевищує 10 % внутрішнього діаметра, то її вважають тонкостінною. Такі циліндричні деталі розраховують за поширеною формулою

_р, (1.1)

де _р - діюче розтягуюче напруження;

Р - розрахунковий тиск середовища;

D_c - середній діаметр оболонки;

 - товщина стінки;

[]_р- допустиме напруження розтягу матеріалу деталі.

При відношенні R/r > 1,1 оболонка вважається товстостінною і тоді розрахунок проводиться за формулою

_р = P  []_р, (1.2)

де R, r - зовнішній і внутрішній радіуси оболонки.

При використанні клинових підвісок необхідно перевірити їх на граничне навантаження за найбільшою вагою підвішених обсадних колон. Верхня труба колони на ділянці контакту з клинами піддається дії осьових і радіальних навантажень (рис. 1.4). Між клинами та корпусом з однієї сторони, клинами та трубою з другої діють сили тертя:

F₁ = N₁ · f₁ i F₂ = N₂ · f₂, (1.3)

де N₁, N₂ - нормальні складові зусиль на корпус і трубу;

f₁ - коефіцієнт тертя тильної частини поверхні клинів з поверхнею корпусу;

f₂ - коефіцієнт зачеплення клинів з трубою.

Надійність захвату клинами труб забезпечується підбором кута нахилу клинів  і коефіцієнтами f₁ та f₂.

Для надійного захвату необхідні умови:

tg  , f₂ > f₁ (1.4)

Рисунок 1.4 - Схема розрахунку клинового захвата

Граничне осьове навантаження, допустиме для клинової підвіски, виходячи з припущення, що напруження рівномірно розподілені по контактуючій тильній поверхні клинів:

Q_max = , (1.5)

де _у - границя плинності матеріалу труб;

F - площа перерізу труби;

с - коефіцієнт охоплення труби клинами, с 0,7;

d_cp - середній діаметр труби;

l - довжина ділянки контакту (висота клинів);

- кут тертя між клинами та корпусом.

Із зменшенням кута  знижується і граничне навантаження. Рекомендується  = 7 - 12^о. Стандартне значення  = 9^о2745.

Температурні видовження незацементованої частини обсадних колон викликають розтягуючі зусилля в колонній головці, передаються шпилькам і послаблюють з’єднання елементів, порушуючи герметичність ущільнень. Оцінку впливу температурного режиму можна провести за зміною довжини вільної частини обсадної колони:

l_t = l₀(1 + α_tt), (1.6)

де l₀ - початкова довжина розглядуваної ділянки обсадної колони;

α_t- коефіцієнт лінійного розширення, для сталі α_t 1,2·10^-6;

t- різниця температур в свердловині і на поверхні.