ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОСТИ РАЗГРУЗКИ ТРУБ НА ЗАБОЙ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ОПАСНОСТИ ПРИЛИПАНИЯ
|
при посадке их на забой. |
В тех случаях, когда по каким-либо причинам инструмент в скважине приходится оставлять без движения (отключение энергии, выход из строя двигателя и т. п.), целесообразнее разгрузить его на забой частью своего веса. Если инструмент находится в растянутом состоянии, то поверхность его соприкосновения с глинистой коркой имеет наибольшее значение, величина этой поверхности в основном будет зависеть от конфигурации ствола скважин (зенитного и азимутального углов искривления, степени ‘их изменчивости, наличия каверн и сужений и т. п.).
При посадке труб на забой их ось под действием собственного веса в первом приближении принимает синусоидальную искривленную форму, и поверхность соприкосновения труб с глинистой коркой значительно уменьшается (рис. 12). В связи с этим уменьшается опасность прилипания труб и облегчается освобождение прилипшего инструмента при его расхаживании.
Для определения критической нагрузки любого порядка
С. П. Тимошенко дает следующее выражение: ;
Я«р = -^(2я +1)2,
где п — любое целое число; I— критическая длина стержня в см Е—модуль продольной упругости 2-10& кГ/см2; I — экваториальный момент инерции.
Принимая разгрузку для 59Лб" бурильных труб в целях предупреждения их прилипания в 25 т, из формулы находим, что изгиб будет второго порядка (п — 2). При этом длина полуволны первого порядка 45,6 м и второго порядка 22,8 м. Тогда общее число полуволн составит 21, в том числе 5—первого порядка и 16 — второго. Зная число полуволн при разгрузке инструмента на забой и интервал соприкосновения каждой полуволны, можно определить общую поверхность соприкосновения труб со стенкой скважины и усилие, необходимое для отрыва труб при их прилипании.
Для определения интервала соприкосновения одной полуволны любой длины со стенкой скважины полагаем, что в результате осевой нагрузки от собственного веса колонна бурильных труб искривилась так, что ось ее приняла синусоидальную форму, определяемую уравнением
г. ГГХ
У = f’ sin j, .
где/ —стрела прогиба; / — длина полуволны.
Задаваясь определенным значением толщины глинистой корки и придавая различные значения независимой переменной х, можно приближенно вычислить интервал соприкосновения со стенкой скважины каждой полуволны, а следовательно, и всей сжатой части инструмента. ‘
Определим интервал соприкосновения бурильной трубы с коркой в пределах одной полуволны для следующих условий: диаметр скважины Д=113/4" или 298 мм; наружный. диаметр 59/i6" бурильной трубы d= 141,3 мм, толщина глинистой корки в скважине <5 = 10 мм. Максимальное значение стрелы прогиба в пределах полуволны равно •
4 D—d 298 — 141,3 vo 0
/макс — ‘ 2 2 — /о, о ММ.
Значение стрелы прогиба трубы, соответствующее границе соприкосновения ее с глинистой коркой, определяем по формуле
/к — /макс — <5 = 78,3 — 10 = 68,3 мм.
Давая независимой переменной х различные значения, легко вычислить из уравнения величину у, соответствующую /к, после чего интервал соприкосновения полуволны с глинистой коркой определяется очень просто. Результаты вычислений даны в табл. 7.
Из табличных данных расчета следует, что при значении х8 бурильная труба заведомо будет соприкасаться с коркой, так как этому значению х — соответствует стрела прогиба // = 68,9 мм.
Следовательно, на расстоянии ’/з длины полуволны от ее начала должна находиться граница соприкосновения трубы со
|
Таблица 7
|
стенкой скважины, а общая длина соприкосновения трубы будет примерно в 3 раза меньше по сравнению с растянутым ее положением. Вот почему, ставя инструмент частью своего веса на забой скважины, мы достигаем известной безопасности в смысле его прилипания к глинистой корке. Например, при разгрузке 59/ю// инструмента на 25 т необходимо поставить на забой 600 м труб, а соприкасаться с глинистой коркой в этом случае будет около 200 м. Кроме того, при посадке инструмента на забои под влиянием работы внешних сил сжатия происходит накопление потенциальной энергии изгиба, которая при последующем расхаживании инструмента, суммируясь с растягивающим усилием, будет способствовать освобождению прихваченного инструмента.
Величина накапливаемой потенциальной энергии при про-‘ дольном изгибе труб для приближенного определения критической длины приравнивается работе внешних сил. Количественное значение работы внешних сил определяют по формуле, предложенной Г. М. Саркисовым:
R = 1£-(Р +0,5 qt),
где R — работа силы продольного изгиба; /—стрела прогиба труб в скважине; I—критическая длина труб; Р — сжимающая сосредоточенная сила; q — вес 1 м трубы.
Работа, накапливаемая в процессе разгрузки инструмента на забой скважины, при возникновении опасности его прихвата (отключение энергии, неисправность двигателя, подъемного механизма и т. п.) будет возвращена в процессе расхаживания инструмента, облегчая освобождение прихваченных труб. .
Величину разгрузки инструмента при возникновении опасности его прихвата следует выбирать, исходя из конкретных условий каждой скважины с таким расчетом, чтобы против
наиболее опасных в смысле прилипания инструмента интервалов ствола скважины бурильные трубы находились изогнутыми под действием собственного веса.
Определим количественное значение работы внешних сил при разгрузке на 25 т Б9/б" инструмента в скважине диаметром II3/,i". В этом случае число полуволн будет, как указано выше, 21, в том числе пять полуволн первого порядка и 16 — второго порядка.
Среднее значение длины полуволны определяют по формуле
где Д и п1 — соответственно длина и число полуволн первого порядка; /2 и «2 — длина и число полуволн второго порядка; т — общее число полуволн.
При подстановке значений получим
|
|
|
где Р — вес сжатой части бурильных труб; q — вес 1 пог. м
р = ЗД4.2;90’0!852 (125 00 + 0.5 • 42 • 23,4) 21 — 1500 кГм. ЗД42 • 0,07852 4 • 28,4 |
Потенциальная энергия изгиба для т числа полуволн может быть определена приближенно следующим образом:
Для оценки величины накапливаемой потенциальной энергии изгиба для освобождения прилипшего инструмента определим примерное значение работы, необходимой для отрыва бурильных труб от глинистой корки в пределах сжатой части бурильных труб.
Очевидно, величина этой работы определится как произведение силы сопротивления глинистой корки сдвигу на величину перемещения изогнутой части бурильных труб при их расхаживании. При решении этой задачи трение бурильных труб о стенки скважины не учитывается.
Усилие, необходимое для отрыва бурильных труб от глинистой корки, можно выразить так:
, _ Fk с т Ю00’
где А — усилие в к Г; F — поверхность соприкосновения труб с коркой в см2; kc — напряжение сдвига корки.
Поверхность соприкосновения бурильных труб с коркой приближенно определяют по формуле (рис. 13)
|
F = |
l0Sm • 100
где /с — средняя длина полуволны 28,4 м S—часть длины окружности трубы, соприкасающаяся с коркой толщиной 10 мм т—число полуволн, равное 21.
3,14-141,3.80 — 360 360 ’ см>
|
|
где d— наружный диаметр 59/1б" замка; ср— центральный угол, образованный радиусами в точках касания замка 59/16" трубы с коркой.
|
Рис. 13. Положение 5®/ie" трубы в скважине диаметром 11-у4". |
1 — скважина; 2 труба.
После подстановки в формулу значений получим
SHAPE * MERGEFORMAT
|
28,4-9,85-21 • 100 |
|
F = |
195,5-103 см2.
Принимая сопротивление сдвигу глинистой корки 125 г/см2, определим усилие, потребное для отрыва бурильных труб от корки: .
Fkо 195,5-Ю3-125
|
РТ = |
24440 кГ.
|
1000 |
1000
Перемещение силы при разгрузке инструмента можно определить следующим образом.
При разгрузке инструмента на забой на 25 т нижняя его часть, как указано выше, приняла синусоидально искривленную форму с числом полуволн 21. В процессе упругой деформации продольного изгиба точка приложения сжимающей силы Р получит перемещение, равное AL (рис. 14). При расхаживании
бурильные трубы стремятся выпрямиться и при осевой нагрузке, равной весу инструмента до прихвата, будут удерживаться в искривленном состоянии лишь силой сопротивления глинистой корки. Перемещение этой силы на величину AL позволит определить работу, необходимую для освобождения прилипшей части бурильных труб. Величина перемещения силы определяется по известной формуле
AL — /2я2
41 •
При среднем значении длины полуволны 28,4 м и числе полуволн 21 перемещение силы Рт составит
лт 0,07852 • 3,142 0, П100
AL = — -4,28д— 21 = 0,132 м.
Работа, необходимая для отрыва бурильных труб от корки, будет
#К = PiAL = 24440 • 0,132 = 3220 кГм,
а потенциальная энергия изгиба, накапливаемая при разгрузке 59/16" инструмента на 25 т, равна 1500 кГм, что составляет 46,6% полной работы, потребной для преодоления сопротивления сдвигу глинистой корки и освобождения прилипшего инструмента. Таким образом, разгрузка инструмента на забой в случае’ опасности его прилипания представляет собой важное мероприятие не только по предупреждению прихвата труб, но и по их более успешному освобождению.
Бурильщики Кубани испытали метод разгрузки инструмента на забой при возникновении опасности его прихвата и в настоящее время широко применяют это полезное мероприятие.