книги / Техника и технология строительства боковых стволов в нефтяных и газовых скважинах
..pdfженных бортиков, что существенно предотвращает их циклическое устало стное растрескивание. Гибкие УБТ для горизонтального бурения уменьша ют трение и сопротивление, снижают массу бурильной колонны и сводят к минимуму опасность прихвата за счет дифференциального давления. Кро ме того, использование таких УБТ делает более качественной очистку сква жин и снижает вероятность спирального скручивания колонны в зоне над двигателем.
Наружный диаметр гибкой УБТ-120,7 мм, номинальная длина 9,1 м, внутренний диаметр 57,2 мм, резьба 31/2 IF.
Фирма СМФИ, имеющая лицензию API по спецификациям 7,16А, 5СТ, 5LC, изготавливает немагнитные УБТ и элементы КНБК из стали SMF-166
[43]:
SMF-166 — хромомарганцевый низкоуглеродистый аустенитный сплав, получаемый методом вращательно-ударной ковки.
SMF-166 — немагнитная сталь, устойчивая к коррозионному растрески ванию под напряжением, с улучшенными механическими свойствами, с малой магнитной проницаемостью, хорошо поддающаяся магнитной обра ботке и не имеющая тенденции к смятию резьб.
Минимальный наружный диаметр выпускаемых диамагнитных УБТ — 88,9 мм.
Типоразмеры бурильных труб и замковых соединений, применяемых для бурения боковых стволов.
При бурении боковых стволов возможно применение равнопроходных бурильных труб как отечественного, так и импортного производства.
При выборе замков следует учитывать необходимость прохождения по бурильной колонне приборов контроля за траекторией бурения.
Характеристики стальных бурильных труб отечественного и импортного производства приведены в табл. 11.30.
Расчет бурильной колонны.
Расчет бурильных труб производится согласно [40] («Инструкция по расчету бурильных колонн», 1997 г.).
Целью расчета является проверка выполнения условий статической прочности и прочности по усталости (при роторном способе бурения) бу рильной колонны, выполнение гидравлических и технологических требова ний к ее конструкции.
1. Расчет на статическую прочность.
При расчете бурильной колонны на статическую прочность осевые рас тягивающие нагрузки и напряжения рассчитывают для момента отрыва до лота от забоя (расчету подлежат верхние сечения секций колонны буриль ных труб) и подъема бурильной колонны (расчету подлежат сечения в верх них точках участков искривления).
1.1.В наклонно направленных и горизонтальных БС наибольшую растя гивающую нагрузку QP рассчитывают последовательно «снизу-вверх» до рассматриваемого сечения колонны бурильных труб, для момента отрыва инструмента от забоя.
1.2.В поперечном сечении произвольной секции колонны бурильных
труб значение QP рассчитывают по следующим формулам:
На вертикальном участке
Qp = К q* ( (l - ~ ) + Др ' Fk + Qk, |
(11.61) |
где К — коэффициент, учитывающий влияние сил трения, сил сопротивле-
Таблица 11.30. Технические характеристики отечественных и импортных (по стандартам АНИ) бурильных труб
Наружный диа |
Толщина |
Тип вы |
Группа |
Тип замкового |
Приведенная мас |
метр, мм (дюймов) |
стенки, мм |
садки |
прочности |
соединения |
са 1 м трубы, кг |
Отечественные бурильные трубы по ГОСТ Р 50 278—92 с приваренными замками по ГОСТ Р 27 834-95
73,0 |
9,2 |
пн |
Д, Е |
ЗП-105-54 |
16,41 |
|
73,0 |
9,2 |
|
Л, М |
ЗП-105—51 |
16,58 |
|
88,9 |
9,35 |
|
Д, Е |
ЗП-121—68 |
21,08 |
|
88,9 |
11,4 |
|
Д, Е |
ЗП-127-65 |
25,03 |
|
|
Импортные бурильные трубы по стандартам АНИ |
|
||||
|
|
|
Е-75 |
|
10,4 |
|
60,3 (23/8) |
7,11 |
EU |
X—95 |
NC 26 (23/8 IF) |
|
|
|
|
|
G-105 |
|
|
|
73,0 (27/8) |
9,19 |
EU |
Е-75 |
NC 26 (23/8 IF) |
16,37 |
|
X—95 |
НТ 31 |
16,55 |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
Е-75 |
NC 38 (3|/2 IF) |
20,75 |
|
|
9,35 |
|
X—95 |
НТ 38 |
21,36 |
|
88,9 (3|/2) |
|
EU |
G-105 |
21,4 |
||
|
|
|||||
|
11,4 |
|
Е-75 |
NC 38 (3|/2 IF) |
24,35 |
|
|
|
G-105 |
НТ 38 |
24,66 |
||
|
|
|
ния движению бурового раствора и сил инерции; qi — приведенный вес од ного метра бурильной трубы /-ой секции, кг; 1; — длина /-ой секции буриль ных труб на данном участке, м; уж— плотность бурового раствора, кг/м3; уст — плотность материала бурильной трубы /-ой секции, кг/м3; Др — пере пад давления в забойном двигателе и долоте, МПа; Fk — площадь попереч ного сечения канала трубы, м2; Qk — усилие, обусловленное нагрузками на предыдущем интервале, Н.
Если участок является призабойным, то справедливо равенство:
Q K = Q K H B K > |
\ . 6 2 ) |
где QKHBK — растягивающая нагрузка от веса КНБК (рассчитывается с уче том веса в жидкости и типа участка профиля, на котором располагается), Н.
На прямолинейном наклонном участке справедлива формула:
Qp = К • qi lj (Ц| sina + cosa) * (l — + Др ' Ek Qk, |
(11*63) |
где Ц| — коэффициент трения бурильной колонны о стенки скважины.
На участке увеличения кривизны следует применять формулы при раз
личных граничных условиях (а, б): а) при а* < а < ак
QP = К |
q, |
R |
- — |
" h |
J хj s[2 |
|
ф( + > |
ема + 2 |
ц |
cosa —( 1 —ц ) |
sina] |
|
|
|
|
|
1 + Ц |
|
|
|
|
|
|
|
(11.64) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) при а н < а < а* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
QP = |
К |
q, |
R |
1 ~ Уж / Уст х |
|
|
||
|
|
|
|
|
1 + р2 |
|
|
|
||||
[2 • (<р( |
+ ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
‘ + 2 |
2 |
р |
cosa.) • ем<°’ а)_2 |
р |
cosa —((1 —р2) |
sina)] |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(11.65) |
= |
1 х Г— |
Q* |
|
|
1+ ^ — —2 |
cosaK+ (1 —p2)sinaKl е—цак; а — |
||||||
ГД6 Ф |
2 |
K • |
4i |
j - R |
|
|
Уст |
|
|
-I |
|
|
L K |
- q |
1—Тж/Г. |
|
|
|
|
угол наклона профиля скважины в рассчитываемом сечении, рад; а. — зна чение угла, при котором происходит переход прилегания колонны буриль ных труб от нижней к верхней стенке скважины, рад.
Величину а. определяют из трансцендентного уравнения:
, . |
. |
ц • а. |
= ср |
( + |
) |
, |
( 11.66) |
(sina* —|! |
cosa*) |
е |
|
|
где ан и а к — соответственно, начальное и конечное значение угла на искривленном участке, рад; R — радиус кривизны участка, м.
На участке уменьшения кривизны справедлива формула:
Qp = |
К |
q, |
R |
1 ~Г»/Гд х [2 ф(_> |
ем“ —2 |
р cosaK- ( l - p 2) |
sinaK] , |
||
|
|
|
|
|
1+р |
|
|
|
(11.67) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ф( ) |
= |
1 х Г |
QK |
х |
1 + V-— + 2 |
cosaK- ( l |
- p 2)sinaKl "ц“к |
(11.68) |
|
|
|
2 |
LK • |
ц, • |
R |
1- уж/Уст |
|
J |
|
1.2. Проверка выполнения условий статической прочности на верхней границе искривленного участка при подъеме бурильной колонны ведется по следующим формулам:
а) при роторном способе бурения
б, = 1,08 бр + 5„ < [5]; |
|
б) при бурении с помощью забойного двигателя |
|
бэ = бр + 8ц < [б]. |
|
Для обоих случаев справедливы формулы: |
|
5т. |
(11.69) |
К ’ |
|
Qp |
(11.70) |
F ’ |
|
где [8] — допустимое напряжение, МПа; 8Т — предел текучести материала бурильной трубы, МПа; К — нормативный коэффициент запаса прочности; бр — напряжение растяжения в теле бурильной трубы, м2; F — площадь по перечного сечения тела бурильной трубы, м2; 8И— напряжение изгиба в те ле бурильной трубы, МПа.
Далее расчет ведется по следующим формулам:
5H = ^ . |
(Н.71) |
WИ |
|
где WH— осевой момент сопротивления, м3; Ми — наибольший изгибаю щий момент (Нм), который равен:
а) при QP < т С|
ТС| = 3,84 • |
10 3 |
Е |
I |
R |
S |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
л, _ |
Е • |
I |
v (, |
j.25 • |
QP |
S2) |
|
Ми |
100 • |
R Х k |
+ |
3 - Е - |
I J* |
(11.72)
(11.73)
где Та — первая критическая нагрузка, соответствующая касанию буриль ной трубы посередине между замками (или замком и протектором) стенки скважины, Н; Е — модуль упругости Юнга материала трубы, МПа; / — осе вой момент инерции сечения трубы, м4; 5 —длина бурильной трубы между
замками (или замком и протектором), м; |
q = |
D, м; D3 — наружный |
|||||||
диаметр замка бурильной |
трубы, |
м; D — наружный |
диаметр бурильной |
||||||
труб, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) при TC,< Q P <T c2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тс2 = 3 • тс| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ми |
Е • I |
„ Л |
+ 3 • R • 5 + 2 5 • Q p |
|
(11.74) |
||||
100 • |
R |
v |
125 s 2 |
12 • |
E • |
I ) ’ |
|||
|
|
гдеТС2 — вторая критическая нагрузка, соответствующая началу прилегания бурильной трубы между замками (или замком и протектором) к стенке скважины, Н;
с) при Qp > Тс|
ми |
100 |
М• R |
1+ |
' QP • R ) |
(11.75) |
|
|
5 • Е • V |
|
2.Расчет бурильных труб на усталость.
Сопротивление усталости бурильной колонны, находящейся при ротор ном бурении под действием переменных во времени нормальных напряже ний от изгиба и постоянных напряжений от кручения, характеризуется рас четным значением коэффициента запаса, определяемым по формуле
к = кб к; - . |
(11.76) |
Jk2б + к2т |
|
где к8 — запас прочности по нормальным напряжениям, вычисляемый из условия, что касательные напряжения отсутствуют; к, — коэффициент за паса прочности по касательным напряжениям, вычисляемый из допуще ния, что касательные напряжения равны нулю, по формуле:
ks = T i x |
4 |
( 1 + T i |
I 2) ’ |
0В |
ов <V |
|
где 5_| предел выносливости трубы при симметричном цикле изгиба с вращением по данным натурных испытаний, МПа; 5В— предел прочности (временное сопротивление), МПа; 8а — предел амплитуды переменных на пряжений изгиба, МПа; 5т — постоянное напряжение от растяжения (знак «+») или сжатия (знак «-») бурильной колонны
В данном случае изгибающий момент Ми возникает в результате потери бурильной колонной прямолинейной формы при вращении и определяется по формулам:
_ Л2 |
f |
Е ■I |
|
|
(11.78) |
|
м И~ ~ |
|
105 |
L2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
2 |
|
|
+ _____Зр_____ + |
Qp |
(11.79) |
||||
J1 |
NJ |
|
m |
X) |
|
|
о |
8 |
|
|
|||
f = |
Р С |
Рз |
|
|
(11.80) |
|
|
|
2 |
’ |
|
|
|
где Dc —диаметр скважины, м; со —угловая скорость (с '), |
определяемая |
|||||
по формуле: |
|
|
|
|
|
|
со = |
^ |
\ |
|
|
(11.81) |
где п — частота вращения колонны, об/с.
Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям ^опре деляется по формуле:
К = |
§т . |
(11.82) |
|
SP
где — коэффициент, учитывающий влияние касательных напряжений на уровень напряженного состояния бурильной трубы. Для вертикальных скважин можно принимать = 1,04 для наклонно-направленных E,t ~ 1,10.
При статическом нагружении бурильной колонны осевой растягиваю щей нагрузкой и крутящим моментом, в том числе при наличии ее изгиба, значения запаса прочности должны быть не менее нормативных значений,
приведенных в табл. 11.31.
Запас прочности бурильной колонны при спуске частей обсадных ко лонн принимается равным запасу прочности бурильной колонны при буре
нии с помощью забойного двигателя. |
|
Запасы |
статической прочности колонны для операций расширения, |
Т а б л и ц а |
11.31. Нормативные значения коэффициента запаса прочности |
|
Способ бурения: |
|
Строительство скважины |
с помощью забойного |
роторный |
|
двигателя |
|
|
|
На суше и на море со стационарных оснований |
1,40 |
1,50 |
Т а б л и ц а 11.32. Рекомендуемые соотношения элементов отклоняющих КНБК
№ |
|
|
Элементы КНБК |
|
Диаметр эксплуатационной колонны, мм |
||||
п/п |
|
|
|
140, |
146 |
|
168 |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
Долото, мм |
|
|
0120,6 |
0123,8 |
0139 |
0144 |
||
2 |
Наддолотный калибратор, мм |
0116-118 |
0117-121 0134-137 0138-142 |
||||||
3 |
Двигатель-отклонитель, мм |
|
095 |
0105-108 |
|||||
4 |
Обратный клапан, мм |
|
|
095 |
|
0105 |
|||
5 |
Телесистема или ориентатор, мм |
095 |
|
0105 |
|||||
6 |
Диамагнитная труба, мм |
|
089 |
|
0108 |
||||
7 |
Бурильные трубы, мм |
|
|
073 |
|
089 |
|||
Т а б л и ц а |
11.33. Значения расчетной интенсивности искривления БС при бурении |
||||||||
отклоняющими КНБК |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Расстояние от торца |
|
Интенсивность искривления БС, град/Юм |
|||||
№ п/п |
долота до искривле |
Угол переко |
Угол переко Угол переко |
Угол переко |
|||||
|
|
ния кривого пере |
|||||||
|
|
|
водника, м |
са Г |
|
са Г30' |
са 2° |
са 2°30' |
|
КНБК № |
1 (рис. 11.5): Долото 120,6 мм (123,8 мм), ВЗД-95, БТ-73 |
|
|||||||
1 |
|
|
1 |
1 |
|
3,5 |
|
6 |
8 |
|
|
1,5 |
2 |
|
4 |
|
6,5 |
8,5 |
|
|
|
|
2 |
2,2 |
|
4 |
|
6 |
8 |
КНБК № 2: Долото 139,7 мм (144 мм), ВЗД-105, БТ-89 |
|
|
|||||||
2 |
|
|
1,5 |
1,2 |
|
4,2 |
|
6,5 |
8,5 |
|
|
2 |
1,8 |
|
4,3 |
|
6,3 |
8,7 |
|
|
|
|
2,5 |
2 |
|
4 |
|
6 |
7,8 |
Пр им е ч а ние : забуривание и бурение криволинейных участков БС возможно с помо щью роторного отклонителя (роторных отклоняющих систем). Роторный отклонитель вместе с телесистемой позволяет осуществлять направленное искривление скважины при вращении всей бурильной колонны ротором буровой установки, что обеспечивает непрерывную нагруз ку на долото и более эффективную очистку забоя и ствола от частиц выбуренной породы
проработки, калибровки, отбора керна и разбуривания цементного камня принимаются равными запасам прочности при бурении.
3.Расчет колонны бурильных труб на допустимые внутреннее и наружное
избыточное давления.
Допускаемые избыточное наружное РНд и внутреннее РВд давления на те ло трубы составят, соответственно:
р |
- |
Ркр |
(11.83) |
Рн- |
|
ч ' |
|
р |
= |
— |
(11.84) |
■' |
|
Кд’ |
|
где Ркр — критическое наружное давление (МПа), определяемое по фор муле
Таблица 11.34. Характеристика элементов КНБК № 1
№ Наименование элементов |
Кол-во |
Диаметр, мм |
Длина, м |
|
1 Долото 215,9 мм |
1 |
215,9 |
0,23 |
|
2 |
Калибратор |
1 |
215 |
0,39 |
3 |
взд |
1 |
172 |
5,24 |
4 |
Клапан перл. |
1 |
172 |
0,46 |
5 |
Пер-к 147/133 |
1 |
178 |
0,39 |
6 |
Безоп. перев-к |
1 |
178 |
0,77 |
7 |
Диамагн. УБТ |
1 |
172 |
9,28 |
8 |
HOS |
1 |
172 |
1,975 |
9 |
нос |
1 |
172 |
0,653 |
10 Диамагн. УБТ |
2 |
172 |
9,28 |
|
12 ЯСС |
1 |
172 |
5,05 |
|
|
Общая длина |
|
|
33,718 |
11 ТБПК |
6 |
127x9 мм |
146,93 |
|
13 ТБГТК |
|
127x9 мм |
Ост. |
Ркр = |
0,9625 |
Е |
| X [A - V A 2- D ] , |
(11.85) |
|
где а = 1 + 0,8471 (l,55 |
e + g |
| ; |
в = 3,3884 • |
| х ( | ) 2 |
е — оваль- |
ность; Рт— предельное (соответствующее пределу |
текучести |
материала) |
|||
внутреннее давление (МПа), определяемое по формуле |
|
||||
|
Рт = 0,875 |
STx i ^ , |
|
(11.86) |
где Кд — нормативный коэффициент запаса прочности при воздействии на трубу наружного и внутреннего избыточного давления (принимается рав
ным 1,15).
Далее проверяется выполнение условий:
Рн ^ Рнд |
(11.87) |
Рв<Рвд, |
(11.88) |
где Рн и Рв — действующее на бурильные трубы избыточное наружное и внутреннее давления, соответственно (МПа).
Отклоняющие КНБК. |
u |
Отклоняющая компоновка низа бурильной колонны (КНБК) — это нижняя часть бурильной колонны, которая, как правило, включает в себя следующие элементы:
—долото;
—калибратор;
—гидравлический забойный двигатель-отклонитель;
—телеметрическую систему;
—диамагнитные УБТ;
— УБТ (утяжеленные бурильные трубы).
8 |
|
ТБПК |
|
|
|
|
|
ЯСС |
Бурильные трубы |
|
|
|
---- |
ТБПК |
|
— FM |
|
|
__ |
НОС |
|
— |
HOS |
|
— FM |
|
|
^ |
Безопасный переводник |
Диамагнитная труба |
----- |
ПП 133x147 |
|
|
|
|
---- |
переп. клапан |
Телесистема (Ориентатор |
|
|
Обратный клапан |
|
|
|
<---- |
забойный двигатель |
Двигатель-отклонитель |
|
калибратор |
Наддолотный калибратор |
|
|
Долото |
—долото |
|
|
||
Рис. 11.4. Отклоняющая КНБК. |
Рис. 11.5. КНБК № 1. |
Отклоняющая КНБК предназначена для забуривания и бурения криво линейных участков профиля БС, а при вращении бурильной колонны воз можна проводка небольших по длине прямолинейных (наклонных или го ризонтальных) интервалов БС.
Кривизна БС зависит от параметров отклоняющей КНБК, в том числе от величины угла перекоса искривленного двигателя-отклонителя, жестко сти на изгиб и габаритных размеров секций двигателя-отклонителя.
Выбор типоразмера двигателя-отклонителя, в частности величины угла
перекоса искривленного переводника, осуществляется исходя из диаметра эксплуатационной колонны и величины радиуса кривизны криволинейных участков проектного профиля БС.
Втабл. 11.32 и на рис. 11.4 приведены схемы отклоняющих КНБК для забуривания и бурения БС из эксплуатационных колонн различных диа метров (140, 146, 168 мм).
Всостав КНБК рекомендуется применять наддолотный калибратор ло пастного типа с короткими спиральными лопастями (в пределах 150— 250 мм) и твердосплавными вставками. Диаметр калибратора должен быть меньше диаметра долота на 2—5 мм.
Расчет отклоняющих КНБК для бурения искривленных участков БС осуществляется в соответствии с действующей методикой с помощью про граммного обеспечения [44, 45]. Расчет заключается в определении геомет рических параметров двигателя-отклонителя, в частности угла перекоса ис кривленного переводника, при котором будет достигаться проектная ин тенсивность искривления на криволинейных участках профиля БС.
Втаблице 11.33 приведены расчетные величины интенсивности, кото рую можно получить с помощью отклоняющих КНБК.
Вслучае, если интенсивность искривления интервала БС в процессе бу рения значительно меньше проектной, осуществляется смена отклоняющей КНБК на другую — с большим углом перекоса искривленного перевод ника.
Втаблице 11.34 приведена характеристика элементов КНБК № 1.