Расчёт колонны бурильных труб на прочность

Условие прочности колонны бурильных труб при сложном напряженном состоянии и переменных напряжениях определяется выражением:

где - суммарный коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям;- коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям;- коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям.

В свою очередь

Для стальных труб ,.

- изгибающее нормальное напряжение; – нормальные осевые нагрузки.

Для случаев вертикальной прямолинейной скважины изгибающее напряжение находится следующим образом:

–модуль упругости материала труб ,для стали равен 2∙10¹¹ Па; – осевой момент вращения трубы;- осевой момент сопротивления при изгибе.

–наружный диаметр БТ; - внутренний диаметр БТ;- стрела прогиба.

где - диаметр скважины;– наружный диаметр БТ.

–окружная скорость вращения колонны; - частота вращения.

Расчёт длины сжатой части колонны бурильных труб

где - ускорение свободного падения;- удельный вес одного метра трубы; Р – осевая нагрузка на долото.

–расстояние от нулевого сечения до забоя.

- длина полуволны.

Расчёт осевого нормального напряжения

–вес колонны бурильных труб; - площадь поперечного сечения труб.

Запас прочности по касательным напряжениям

- действующие касательные напряжения; - предел прочности по касательным напряжениям, для стальных труб он равен 240 МПа.

–крутящий момент; – полярный момент сопротивления.

–максимально развиваемая мощность буровой установки; - окружная частота вращения.

Значит:

В итоге

Для стальных труб ,.

И тогда

Спецчасть. Выбор, обоснование и расчет

Под фильтром обычно понимают специальное устройство, устанавливаемое в скважине против водоносного горизонта, которое обеспечивает свободный доступ внутрь скважины чистой, без примеси, воды и одновременно предохраняет ствол скважины от обрушения.

Функций фильтра в скважине:

Очистка воды от механических примесей;

Предотвращение обрушения скважины.

         Фильтры устанавливаются, как правило, в неустойчивых породах, там, где отсутствует естественная фильтрация воды водонепроницаемым твёрдым грунтом.

Фильтровая колонна состоит из трёх частей:

Надфильтровая труба;

Рабочая часть (собственно фильтр);

Отстойник с пробкой.

         Типы и конструкции фильтров во многом определяются типом горных пород. Для агрессивных вод с большим содержанием углекислоты, сероводорода и кислорода каркасы фильтров изготавливаются из нержавеющей стали или неметаллических труб. Процесс фильтрации заключается в том, что частицы породы проходят через рабочую часть фильтра и оседают в отстойнике.

Все существующие фильтры могут быть разделены на: а) дырчатые, или щелевые; б) проволочные; в) сетчатые; г) гравийные и д) гравитационные.

Для трещиноватых, склонных к обрушению пород наиболее подходят дырчатые и щелевые фильтры. Отверстия сверлятся, щели фрезеруются в трубах.

         Для гравийно-галечниковых отложений применяются фильтры из труб с продольными щелями или с покрытием крупной сеткой.

         Для песков обычно применяются фильтры с мелкой сеткой из латуни.

 

Водоносные пласты	Применяемые фильтры
Полускальные неустойчивые, щебнистые и галечниковые породы с преобладающей крупностью частиц щебня и гальки от 20 до 100 мм >50%	Трубчатые с круглой и щелевой перфорацией, стержневые
Гравий, гравелистый песок с крупностью частиц от 1 до 10 мм с преобладающей крупностью частиц 2–5 мм более 50%	Трубчатые с круглой и щелевой перфорацией, с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки или штампованного стального листа; стержневые с обмоткой проволокой из нержавеющей стали или из штампованного листа
Пески крупные с преобладающей крупностью частиц 1–2 мм более 50%	Трубчатые с круглой и щелевой перфорацией, с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки, штампованного стального листа или сетки квадратного плетения; стержневые с водоприёмной поверхностью из проволочной обмотки, штампованного листа или сетки квадратного плетения
Пески средние с преобладающей крупностью частиц 0,25–0,5 мм более 50%	Трубчатые и стержневые из сетки гладкого (галунного) плетения; трубчатые и стержневые с однослойной гравийной обсыпкой (гравийные)
Пески мелкие с преобладающей крупностью частиц 0,1–0,25 мм более 50%	Трубчатые и стержневые с одно-, двух- или трёхслойной песчаной или песчано-гравийной обсыпкой (гравийные), блочные

Самым простым видом фильтра является труба-каркас с круглыми или щелевыми отверстиями. Фильтровые трубы, каркасы изготовляют из стальных, чугунных, деревянных, пластмассовых, асбестоцементных и реже – из керамических и гончарных труб. При выборе материала для фильтровых каркасов учитываются их коррозионная устойчивость, возможность механической обработки и прочность. Для изготовления каркасов трубы перфорируют.

Применяются штампованные фильтры из нержавеющей стали, меди или черных металлов с антикоррозийными покрытиями.

Каркасно-стержневые фильтры изготовляют из металлических стержней диаметрами 12–18 мм, укрепляемых на опорных фланцах.

Фильтры с проволочной обмоткой изготовляют как трубчатые, так и стержневые. Шаг обмотки спирали из круглой проволоки диаметром 1,5–3 мм или другого (например, трапецеидального, треугольного) сечения устанавливается в соответствии с гранулометрическим составом пород водоносного горизонта.

Оплетку проволокой делают поверх трубчатого или стержневого каркаса. Проволочный фильтр сверху может быть покрыт сеткой.

Сетчатые фильтры состоят из дырчатой трубы-каркаса, обмотанной продольными рядами или по спирали проволокой диаметром 2–5 мм с шагом в 10–25 мм с тем, чтобы сетка не прилегала плотно к каркасу.

На проволочное покрытие натягивают сетку, которую припаивают, сшивают или склеивают на концах и по шву.

Для изготовления сетчатых фильтров используются сетки нескольких типов: а) простая квадратная; б) гладкого или галунного плетения; в) киперная или саржевая.

В качестве материала для сетки используют медь, латунь, нержавеющую сталь, пластмассы, ткани из стекловолокна, нить капрона, нейлона и другие синтетические материалы. Для предупреждения электрохимической коррозии каркас фильтра изготовляют часто из неметаллических труб. В некоторых случаях стальной каркас обтягивают сеткой и проволокой из нержавеющей стали или же применяют сетки из пластических масс.

Сетчатые фильтры не рекомендуются для однородных мелкозернистых песков, а также для слюдистых водоносных песков, т. к. при этом не обеспечивается нормальная работа фильтра – уменьшается его скважность. Получили распространение сетки из стекловолокна: окна могут быть использованы в водах любого химического состава.

Гравийные фильтры состоят из каркаса с проволочной обмоткой или сеткой и гравийной обсыпки. По способу изготовления различают гравийные фильтры, приготовляемые на поверхности и непосредственно в скважине. Первые устраивают в виде гравийно-кожуховых или корзинчатых. В обоих случаях гравий засыпают на поверхности в сетчатый кожух или специальные чугунные или стальные корзинки, укрепляемые на фильтровой трубе. Собранный фильтр спускают в скважину.

При устройстве гравийного фильтра в скважине засыпка гравия в зафильтровое пространство производится одновременно с извлечением из скважины временной колонны обсадных труб, перекрывающих водоносный горизонт.

Гравийные фильтры изготовляют в виде цилиндров различной длины и толщины. Фильтрующее покрытие выполняется в виде трубчатых блоков из гравия, щебня, дробленого шамота или огнеупорных глин с различными связующими материалами – цементом, битумом, клеем БФ-4, бакелитовым лаком, резиной и др., с помощью которых создается жесткая пористая структура фильтровых блоков.

Выбор конструкции фильтра производят в соответствии с составом водоносных пород, глубиной скважины, степенью агрессивности подземных вод, а также сроком действия скважин и их целевым назначением.