3 Нкт. Назначение, типы, номенклатура, материалы. Нагрузки на нкт. Расчет нкт на растяжение, избыточное давление в вертикальных и наклонно-направленных скважинах.

Насосно-компрессорные трубы (НКТ) применяются практически при всех способах добычи нефти и газа и являются одним из ответственных элементов в конструкции добывающей скважины. Колонна, свинченная из НКТ, представляет собой подземный трубопровод, от надежности работы которого зависит успешная разработка нефтегазового месторождения. Колонна НКТ выполняет следующие важные функции:

1) обеспечивает подачу извлекаемых из продуктивных пластов нефти, газа или газоконденсата на наружную поверхность; 2) обеспечивает закачку в пласт жидкостей для выполнения различных технологических операций (гидроразрыв, паровоздействие, гидропескоструйная перфорация, промывка скважины и т.д.); 3) служит для подвески скважинных, гидропоршневых и погружных электронасосов, а также токопроводов.

Наибольшее применение к настоящему времени получили стальные цельнокатаные неравнопрочные НКТ с муфтовыми резьбовыми соединениями (рис. IV.3,a). Подъемные колонны труб в глубоких скважинах и при тя­желых условиях работы собираются из равнопрочных НКТ. Все сечения таких труб, включая и по резьбе, имеют примерно равную площадь, а следовательно, и одинаковую несущую способность. Конструктивно равнопрочность достигается разными приемами (см. рис. IV.3).

Рисунок - Схема типов стальных НКТ: а-неравно прочное, б-равнопрочное муфтовое с высадкой наружу, г-равнопрочное с высадкой наружу,г-равнопрочное с высадкой внутрь, д-равнопрочное с приварными резьбовыми концами.

НКТ изготовляют главным образом из углеродистых сталей разных групп прочности с пределом текучести от 380 до 750 МПа

Расчет насосно-компрессорных труб на растяжение

Вся номенклатура выпускаемых на сегодня НКТ разделяется на две группы – равнопрочные и неравнопрочные.

Основной вид нагружения для колонны НКТ – силы собственного веса, при котором верхняя труба испытывает растяжение от веса всей колонны. Методика расчета на растяжение неравнопрочных и равнопрочных труб различна.

Для неравнопрочной колонны сопротивление труб осевым растягивающим нагрузкам определяется по формуле Яковлева-Шумилова.Под действием максимальной растягивающей нагрузки при достижении напряжений, равных пределу текучести, происходит страгивание резьбового соединения.

Под действием осевой силы Q, растягивающей трубу, возникают меридиональные напряжения σ₃. Считая, что осевая сила Q действует в основной плоскости, напряжения σ₃ определяются по следующей формуле: σ ₃ = Q / (π∙D_с∙b),

где D_с – средний диаметр сечения по впадине первого полного витка резьбы (в основной плоскости); b – толщина стенки трубы по впадине того же витка резьбы

Величина радиальной сжимающей нагрузки q определится из выражения q = -Q ∙ ctg α ,

где α – угол профиля витка резьбы .

Внешнее сжимающее давление, действующее на ниппельный конец трубы, равно р = q / (π∙D_с∙l),

где 1 – длина участка резьбы ниппеля трубы с полным профилем

Тогда радиальные напряжения σ₁ в ниппельном конце трубы от действия силы q определяются из следующего выражения:

σ₁ = р ∙ D_с / (2 ∙ b) = - Q ∙ ctg α / (2 ∙ π ∙ b ∙ l) .

1 – конец сбега резьбы; 2 – нитки со срезанными вершинами; 3 – основная плоскость; 4 – линия среднего диаметра

Рисунок 10.19 – Резьба неравнопрочной насосно-компрессорной трубы

Рисунок 10.20 –Схема действия сил в резьбовом соединении трубы и муфты

Согласно теории наибольших касательных напряжений опасное состояние в теле возникает тогда, когда касательные напряжения достигают опасных значений.

. (10.32)

Подставив значения σ₁ и σ₃ из равенств (10.28) и (10.31) в равенство (10.32) и решив полученные уравнения относительно Q, получим

. (10.33)

П.П. Шумилов уточнил формулу Ф.И. Яковлева. Подставив вместо σ_т значение σ_доп и добавив коэффициент η, учитывающий влияние ослабленной резьбой ниппеля трубы и более прочного тела, а также учитывая угол трения β, получил следующее:

; (10.34)

η=b/(b+s), (10.35)

где s – толщина стенки трубы в расчетной плоскости.

D_c = D_н - 2h – b, (10.36) где h – глубина резьбы.

h = ( d₁ – d₂ ) / 2, (10.37)

где d₁, d₂ – соответственно наружный и внутренний диаметры резьбы в плоскости торца трубы.

b = ( d_ср – D_в ) / 2 – h / 2. (10.38)

Вычисленная по этой формуле растягивающая нагрузка должна быть больше фактического осевого усилия не менее в 1,25 раза. Если это условие не соблюдается, то для насосно-компрессорных труб выбирается более прочный материал. Если выбор группы прочности не возможен, то ограничивается длина спуска колонны, вес которой обеспечивает запас прочности по страгивающей нагрузке.

Трубы с высаженными наружу концами (тип В) и безмуфтовые НКБ являются равнопрочными с резьбовыми соединениями и поэтому расчет на прочность ведут по телу трубы. Растягивающее усилие Q_т, при котором в теле трубы возникает напряжение, равное пределу текучести, определяется по формуле

Q_т =   D  s  _т где D – средний диаметр трубы.

Расчет колонны НКТ на внутреннее давление

Внутреннее избыточное давление Р_т, Па, , где D_в – внутренний диаметр трубы, 0,875 – учитывает разностенность сечения трубы.

Условие прочности труб при внутреннем избыточном давлении согласно определяли по условию , где n₂ = 1,32 – коэффициент запаса.

Расчет прочности колонны НКТ на растяжение и изгиб в искривленных скважинах

Для тела трубы условие прочности между растягивающими σ_р, МПа, и изгибающими σ_n ,МПа, напряжениями определяли согласно [1, с.94 ]

, (10.42) где n₁ =1,32 – запас прочности.

Растягивающие напряжения σ_р, Па, определяли согласно [1, с.92] по формуле

, (10.43)

где Q – осевая растягивающая сила, обусловленная весом колонны НКТ, Н.

Изгибающее напряжение σ_n , Па, определяли согласно [1, с.94] по формуле

, (10.44)

где Е – модуль упругости материала НКТ, Па, для стали Е=2,1·10¹¹ Па;

D – наружный диаметр трубы, м;

R – радиус искривления скважины, м.