25337 (Проверочный расчет КБТ при бурении с частичной нагрузкой)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Якутский государственный университет им М.К. Амосова»

Технический институт (филиал) кафедра ТиТР МПИ

Контрольная работа №2

По дисциплине: «Буровые машины и механизмы»

Тема

Проверочный расчет КБТ при бурении с частичной нагрузкой

Выполнил: ст. гр. ТиТР-06

Денисов Д.С.

Нерюнгри 2009 г.

1. Описательная часть

Бурильные трубы для бурения с комплексами ССК

Бурильные трубы этого типа используются для бурения со съемными керноприемниками типа ССК и выпускаются диаметром 43 мм - для комплекса ССК- 46.

Трубы гладкоствольные по наружному и внутреннему диаметрам и не имеют высадки по концам. Трубы соединяются в колонну способом «труба в трубу»

На одном конце труб нарезана наружная, на другом внутренняя конические резьбы трапецеидального профиля. Для труб диаметром 43 мм шаг резьбы равен 6,0 и 0,7 мм. Резьба труб сопрягается по вершинам наружной резьбу и впадинам внутренней. Для обеспечения после механической затяжки одновременного замыкания обеих упорных стыков устанавливается жесткий допуск на расстояние между наружной и внутренней упорными поверхностями каждой резьбу, равный ±0,05 мм.

Натяг в паре после механической затяжки должен быть равен 0, неперпендикулярность упорных торцов и уступов относительно оси резьбы – не более 0,03 мм.

Несоосность поверхности резьбы (по ее наружному диаметру) и наружной поверхности трубы не должна превышать 0,2 и 0,3 мм на длине резьбы соответственно для труб 43 и 55,70 мм. Кривизна труб не должна превышать 0,3 мм на 1 м длины на любом ее участке.

Спуск и подъем колонны труб производится с помощью спайдера, трубных ключей и наголовников.

Рис. 1 Бурильная труба ССК.

1 - резьба;

Наружные колонковые трубы имеют значительную толщину стенки, так как воспринимают крутящий момент и осевую нагрузку при бурении, а также усилие от срыва керна.

Внутренние керноприемные трубы в процессе эксплуатации не испытывают больших нагрузок и толщина их незначительна. Нижняя часть керноприемной трубы центрируется с помощью стабилизатора, представляющего собой бронзовый подшипник скольжения, размещенный в цилиндрической проточке расширителя.

Снизу к керноприемной трубе на резьбе крепится кернорвательное устройство, состоящее из корпуса, упорного и кернорвательного колец. Упорное кольцо предохраняет от смятия тонкую резьбовую часть керноприемной трубы при соприкосновении ее с кернорвательным кольцом, которое в процессе бурения постоянно находится в верхней части.

Промывочная жидкость обтекает съемный керноприемник по зазорам между ним и наружной колонковой трубой и омывает керн только у его основания около матрицы коронки. Неподвижность керноприемной трубы при бурении обеспечивается подшипниковым узлом с двумя упорными шарикоподшипниками, воспринимающими осевую нагрузку. Между подшипниками установлена направляющая втулка, выполняющая роль радиального подшипника скольжения.

В свободном состоянии съемный керноприемник опирается на опорное кольцо, которое одновременно служит верхним центратором и устанавливается в наружной колонковой трубе. Съемный керноприемник от перемещения вверх фиксируется двумя стопорами, разжимаемыми пружиной. Один из них касается выступа на торце переходника бурильной трубы, за счет чего вращение бурового снаряда передается верхней части подшипникового узла, исключая тем самым проворачивание керноприемника в опорном кольце.

Таблица 1. Техническая характеристика бурильных труб ССК-46 [2]

D и d – наружный и внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, мм;

t – толщина стенки, мм;

D' – наружный диаметр соединений БТ, мм;

q' – линейная плотность бурильных труб с учётом высадок и резьбовых соединений, кг/м³;

E – модуль продольной упругости материала БТ (для стали);

Q_к.н – масса колонкового набора (забойной компоновки), кг;

Q_к.н = 25,5, кг;

Dк и dк – наружный и внутренний диаметр коронки, мм.

2. Расчетная часть

Определение положения «нулевого» сечения КБТ

«Нулевым сечением (сечение 0-0) называется расстояние от забоя скважины до точки на КБТ, где нормальные (осевые) напряжения равны нулю (σ_р=σ_сж=0), и определяется длиной сжатой части КБТ

Z_О-О = ,

где С – осевая нагрузка на ПРИ, С=6000Н;

₂ – коэффициент, учитывающий плотность БР и материала БТ

₂ =_м,

где –плотность бурового раствора (БР), кг/м³ , 1100кг/м³;

_мплотность материала бурильных труб, кг/м³ , _м7800кг/м³;

₂=1-1100/7800=0,86;

₃ – коэффициент, учитывающий искривление скважины в вертикальной плоскости; ср – средний зенитный угол в расчетном интервале,˚ н=90˚-η, где η –угол наклона скважины, н – начальный зенитный угол, η = 90˚; н=90˚-90˚=0˚; к=н+I·L, где I – интенсивность искривления скважины,˚/м I=0,003˚/м; L– глубина скважины, к- конечный зенитный угол, L=1400м; к=0˚+(0,003·1400) = 4,2˚; ср=(н+к)/2= (0˚+4,2˚)/2= 2,1˚;

_  cos ср= cos2,1˚=0,99;

q'- линейная плотность бурильных труб с учётом высадок и резьбовых соединений, q'=4,52 кг/м³; g – ускорение свободного падения, g=9,8 м/с²;

Z_О-О =6000/(0,86·0,99·4,52·9,8)=159,27м;

«Нулевое» сечение находится ниже устья скважины и Z_O–O < L, и бурение производится с частичной разгрузкой.

При бурении с частичной нагрузкой:

- для сечения 1 – 1 (устье скважины) Z₁= L-Z_о-о , м;

- для сечения 2 – 2 (забой скважины) Z2 = Z_о-о, м;

- для «нулевого» сечения (О – О) Z₁ = 0, м.

Бурение с частичной разгрузкой КБТ.

Участок 1-1 (устье скважины)

На этом участке на КБТ действуют напряжения растяжения (зависящее от массы растянутой части колонны БТ), изгиба и кручения. В зависимости от глубины скважины и частоты вращения бурильного вала напряжения растяжения и кручения могут быть значительными.

Напряжение растяжения зависит от массы растянутой части КБТ и площади поперечного сечения бурильных труб в гладкой части

, Па

где σ_р – напряжение растяжения, Па; G – масса КБТ, кг; F– площадь сечения гладкой части БТ, м²; С – данная по заданию осевая нагрузка на ПРИ, 6000Н; g – ускорение свободного падения, g=9,8 м/с²; G – масса КБТ,

G = α₂·α₃·q'·L + Q_к.н,

где Q_к.н – масса колонкового набора (забойной компоновки), кг (таблица 1); q'- линейная плотность бурильных труб с учётом высадок и резьбовых соединений, q'=4,52 кг/м³;

G = 0,86·0,99·4,52·1400 + 25,5=5406,9 кг;

Площадь сечения гладкой части бурильной трубы определяется по формуле:

F=0,785·(D²–d²), м²

где D и d – наружный и внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, м (таблица 1).

F=0,785·(0,043²–0,0334²)= 5,8·10^-4 м²;

= 81013137,9 Па = 81,01 МПа;

Напряжение изгиба равно

_из= _из'+_из'', Па

где _из'– напряжение изгиба от действия, возникших при вращении КБТ в скважине, центробежных сил, Па; _из''–дополнительное напряжение изгиба, возникающее при интенсивном искривлении скважины (при J > 0,04º/м) в результате повышенного трения КБТ о стенки скважины, Па.

Изгибающие напряжения (_из'), возникающие во вращающейся КБТ, определяются по формуле

_из'

где _из' – напряжение изгиба в расчетном участке КБТ, Па; E – модуль продольной упругости материала БТ (для стали 2·10¹¹Па); I₀ — это осевой момент инерции площади поперечного сечения трубы, м⁴; f – стрела прогиба КБТ и равна:

f = = (0,0506-0,043)/2=0,0038 м;

где D_с = D_при·R=0,046·1,1=0,0506 м – диаметр скважины, где R – коэффициент учитывающий влияние ПРИ R=1,1(для алмазных коронок); D_при=0,046м и D'=0,043 – наружный диаметр соединений БТ, м (берется из технической характеристики бурильных труб).

I₀ = = = 1,07·10^-7 м⁴;

где D и d – наружный и внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, м (таблица 1).

L_n  длина полуволны прогиба КБТ, и определяется выражением

L_n = м

где Z₁– расстояние от «нулевого» сечения до устья скважины.

L_n = =17,85м;

Для сечения 1 – 1 (устье скважины) Z₁ = L Z_о-о= 1400-159,27=1240,7м;

Осевой момент сопротивления изгибу W_о, м³ в расчетном сечении БТ определяется выражением

W_о= = = 4,96·10^-6 м³;

где D и d – наружный и внутренний диаметр гладкой части бурильной трубы, м (таблица 1).

_из' = 521563,81 Па = 0,52 МПа;

_из= _из' = 521563,81 Па = 0,52 Мпа;

Напряжение изгиба от искривления траектории скважины σ_из^'' не учитывается т.к. интенсивность ее искривления менее 0,04º/м.

Угловая скорость вращения БТ равна

  , с^

где n  число оборотов колонны б/т, об/мин(по заданию).

  (3,14·200)/30=20,9 с^

Касательное напряжение кручения зависит от крутящего момента, передаваемого на КБТ

 = , Па

где M_кр– крутящий момент, действующий на КБТ на устье скважины, Н·м.

Крутящий момент определяется затратами мощности на бурение

M_кр = ,

где N_б – мощность, расходуемая на бурение скважины, кВт;  –Угловая скорость вращения БТ, с^

Мощность на бурение равна сумме затрат мощности на вращение КБТ и мощности на разрушение забоя и определяется по формуле

N_б=N_б.т + N_заб, кВт.

где N_б  затраты мощности на бурение, кВт; N_б.т  затраты мощности, на вращение колонны бурильных труб, кВт; N_заб  мощность, затраченная на разрушение горной породы на забое скважины, кВт;

Мощность, расходуемая на вращение КБТ, определяется выражением

N_б.т = k₁· k₂· k₃ ·[1,6·10^-8 k₄ ·k₅ (0,2+r”)·(0,9+0,02 f)·(1+0,44cosср)·M·D_с

(1+1,3·10^-2f) n^1,85·L^0,75+2·10^-8 f·n·C],

где k₁– коэффициент, учитывающий антивибрационные свойства бурового раствора (при использовании: малоглинистого раствора–1,1); k₂ – коэффициент, учитывающий состояние стенок скважины (в устойчивом геологическом разрезе k₂=1,0); k₃ – коэффициент, учитывающий влияние материала БТ на трение их о стенки скважины (для стальных труб k₃=1,0); k₄ –коэффициент, учитывающий искривление траектории скважины, определяется по формуле разработанной в МГРИ (k₄ = 1+60J_o, где J_o –интенсивность искривления скважины,

k₄=1+60·0,003=1,18˚/м); k₅–коэффициент, учитывающий влияние соединений колонны бурильных труб (для ниппельных соединений k₅=1,0); r”–кривизна труб в свече, учитывающая собственную кривизну и несоосность соединений, мм/м (в практике применяют: для труб повышенного качества с ниппельным соединением и соединением «труба в трубу» r”=0,9 мм/м); f–зазор между стенками скважины (D_с) и соединениями БТ(D'), мм