Буровые машины и механизмы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРОЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

 

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра технологии и техники разведки месторождений  полезных ископаемых

 

 

 

 

Расчет бурильной колонны

 

 

 

 

 

 

        Студент:                     Митрофанов С.О.

Группа:                                          ТТР-09

Преподаватель:                   Эйнгорн С.Г

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................3

Задание.....................................................................................................................4

Техническая характеристика буровой  установки................................................5

1. Расчет напряжений в верхней части колонны................................................10

   1.1 Расчет напряжения растяжения..............................................................10

   1.2 Расчет напряжения  кручения.....................................................................11

   1.3 Расчет суммарного  напряжения................................................................14

2. Расчет напряжения в нижней части колонны.................................................16

   2.1 Расчет напряжения сжатия......................................................................16

   2.2 Расчет напряжения  изгиба.........................................................................16

   2.3 Расчет суммарного  напряжения................................................................17

3. Расчет бурильной колонны на  выносливость в нулевом сечении................19

   3.1 Определение напряжения изгиба................................................................19

   3.2 Расчет напряжения  кручения.....................................................................20

   3.3 Определение запаса  прочности по нормальным напряжениям..............20

   3.4 Определение запаса  прочности по касательным напряжениям............20

   3.5 Определение суммарного  запаса прочности в нулевом  сечении.............21

Заключение............................................................................................................22

Список литературы...............................................................................................23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В процессе бурения скважины колонна бурильных  труб подвергается воздействию ряда усилий, различных по величине, характеру  и направлению действия, в связи  с чем, находится в сложном  напряженном состоянии. Поэтому  для обеспечения эффективности  технологического процесса бурильная  колонна должна надежно выдерживать  рабочие нагрузки, то есть обладать достаточной прочностью. Ряд исследований позволил установить, что в верхней  части колонны наиболее опасны статические  нагрузки, а в нижней части опасны динамические переменные. Поэтому современная  методика прочностного расчета бурильных  колонн включает в себя расчет верхней  части колонны на статическую  прочность и расчет нижней части  колонны на выносливость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

Рассчитать  величины напряжении растяжения, кручения в опасных сечениях верхней (растянутой) части колонны бурильных труб и величины напряжении сжатия, изгиба, кручения в опасных сечениях нижней (сжатой) части колонны. Провести расчет бурильной колонны на выносливость.

 

Начальные данные для расчета:

     Тип буровой установки: BOART LONGYEAR: LM-75D

     Глубина бурения: L = 450 м.

     Конечный диаметр скважины: D = 59 мм.

     Категория пород по буримости: IX

     Скважина наклонная: угол наклона к горизонту θ = 87^о

     Способ бурения: вращательный

     Снаряд: бурильные трубы гладкоствольные BQ с комплексом ССК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технические характеристики буровой установки

Выбор основного  и вспомогательного оборудования

С целью  уменьшения искривления скважины, снижение вибрации бурового станка, обеспечение нормальной очистки забоя в процессе бурения, снижение затрат мощности на бурение и повышение надежности работы колонны бурильных труб должна использоваться рациональная компоновка бурового снаряда, обеспечивающая минимальные зазоры между колонной бурильных труб и стенками скважины. Для колонкового бурения установлены значения рациональных соотношений диаметров бурильных колонн и диаметров бурения 59-33,5 мм для бурильных колонн, предназначенного для алмазного бурения, с высокими частотами вращения бурового снаряда. Исходя  из данных условий, выбираем легированные стальные бурильные трубы, гладкоствольные с комплексом ССК.

Учитывая  конструкцию скважины (глубина бурения  450м.), конечный диаметр бурения – 59 мм и выбранный способ вращательно механического бурения, выбираю установку вращательного колонкового бурения - BOART LONGYEAR: LM-75D.

Буровая установка LM-75D предназначена для бурения вертикальных и наклонных скважин на твердые полезные ископаемые до глубины 430 и 1700 м при конечном диаметре 96 и 46 мм соответственно под углом бурения к горизонту от 90 до 180 град.

Для проведения проверочного расчета на прочность  колонны бурильных труб при бурении  скважины колонны условно делят  на зоны: верхнюю – растянутую и  нижнюю – сжатую. Наибольшие статические  нагрузки действуют у устья скважины в верхнем сечении колонны. Поэтому  расчет будет вестись с верхней  части колонны.

 

 

 

Техническая информация

                                       Рекомендуемая глубина бурения                    Таблица 1

Колонковый набор	Глубина скважины (м)
	Горизонтально	Вертикально
AQ	1150	1700
BQ	740	1000
NQ	650	700
HQ	430	345

Буровая установка LM-75D

LM-75D представляет собой среднеразмерную установку с подземной алмазной короной для бурения средних и глубоких скважин.

Эта установка, оснащенная рамой подачи 70 кН, обеспечивает высокое тяговое усилие в обратном направлении, а также относительно высокую скорость манипуляцией с  штангой. При помощи устройства позиционирования и поворотной платформы буровая установка обладает возможностью бурения под любым углом, от положения вертикально вверх до вертикально вниз.

На этой буровой установке для обеспечения  питании гидравлики машины используется дизельный двигатель.

1 – Гидравлика измерения нагрузки повышает эффективность и снижает нагрев.

 2 – Встроенная диагностика снижает время простоя при возникновении неисправностей.

3 – Пропорциональные управление и блокирующие рычаги обеспечивают оптимальность регулировки частоты вращения и подачи.

4 – Автоматическое устройство развинчивания с высоким крутящим моментом обеспечивает автоматическое развинчивание большинства соединений штанги.

 

          Техническая характеристика буровой  установки      Таблица  2

                                   Гидростатические насосы                   Таблица 3

Комплекс BQ

Комплекс инструмента для бурения со съемными керноприёмниками BQ, предназначен для бурения скважин с приемом и извлечением керна на поверхность без подъема бурильной колонны, а также для проведения работ по подъему и спуску колонны для смены породоразрушающего инструмента. 

Техническая характеристика колонкового набора BQ:

Наружный диаметр расширителя, мм 59,90

Наружный диаметр коронки, мм        59,50

Внутренний диаметр коронки, мм           36,40

Наружная труба, мм:

наружный диаметр                                      57,20

внутренний диаметр                                   46,00

Внутренняя труба, мм:

наружный диаметр                                      42,90

внутренний диаметр                                    38,10

Длина, мм:                                           1500/3000

 

Типоразмер  бурильных труб BQ

Наружный  диаметр трубы:                          55,60

Внутренний  диаметр трубы:                        46,20

В комплекс BQ входят: породоразрушающий инструмент, колонковые наборы, бурильные трубы, спускоподъемный и вспомогательный инструмент. В состав комплекса входит также лебедка для подъема съемного керноприемника.

Колонковые  наборы предназначены для приема и сохранения керна при бурении, а также для извлечения керна  на поверхность без подъема бурильной колонны.

Бурильные трубы

Свойства:

  - Труба: 

• Высокое  качество легированной стали

• Выдержанная  соосность, прямолинейность и термообработка.

   - Конструкция резьбы:

• Профиль резьбы Q с шагом 3 витка на дюйм и увеличенной конусностью, обеспечивает легкое свинчивание, развинчивание труб между собой, а также противо-закаливание.

• Нагрузочная эффективность соединения в 30% предоставляет достаточную прочность для взыскательных условий.

    - Сквозная закалка:

• Повышает предел прочности материала на 140%

• Термическая  обработка внутренней резьбы значительно  увеличила её износостойкость

Выбор типа коронок

Так как  категория пород по буримости  – IX, то выберем импрегнированные алмазные коронки выпускаемые компанией Борт Лонгир, с цифровым кодом 7. Серия 7 - для твердых и очень твердых, умеренно абразивных и трещиноватых пород. Прочная, относительно легко режущая коронка с хорошей скоростью проходки.

 

1. Расчет напряжений в верхней  части колонны.

1.1. Напряжение растяжения в подвешенной колонне рассчитываются по формуле:                                    

                                                       , Па     (1)

где: Qкр – нагрузка на крюке, Н; F – площадь опасного сечения, м ;

Определяем  площадь опасного сечения по формуле:

              

, м             (2)

где: D – наружный диаметр бурильной трубы, м;

       D=0,0556м.

       d – внутренний диаметр бурильной трубы, м;

       d=0,0472м.

   

При подъеме  колонны из скважины, кроме собственного веса, дополнительно возникают силы трения и прихватов, в этом случае напряжение растяжения достигает максимальной величины.

Напряжение  растяжения в верхнем сечении  вычисляем по формуле:

    

    (3)

где: α  – коэффициент, учитывающий высадку  труб и массу соединений;

       α = 1 – так как снаряд гладкоствольный соединение “труба в трубу”

       g – ускорение свободного падения, м/с ;

       L – длина бурильной колонны, м;

       l сж  – длина сжатого участка колонны, м;

       – плотность материала труб, кг/м ;

       = 7800 кг/м для труб, изготовленных из марки стали –         40CrMnV6;

        – плотность промывочной жидкости, кг/м

        = 1000 кг/м для технической воды;

Длина сжатого  участка колонны находим по формуле:

     

  (4)

где: Р  – осевая нагрузка на породоразрушающий  инструмент, кН;

       q = 6,07 кг для гладкоствольного снаряда с комплексом BQ;

       - значение зенитного угла, град;

       =

При выборе осевой нагрузки на коронку учитываем  ФМС пород и конструктивные элементы коронки.

Выбираем импрегнированную коронку, для кернового бурения одинарными колонковыми трубами, для пород IX категорий по бурению – 02И3, для малоабразивных, очень крепких, плотных, монолитных, тонкозернистых, скрытокристаллических, абразивных, мелко- и скрыто-зернистых.

Осевую  нагрузку на породоразрушающий инструмент вычисляем по формуле:

                

                  (5)

где: К  – коэффициент, учитывающий трещиноватость пород;

        К = 1 для монолитных пород;

        Р0 – осевая нагрузка на 1см алмазосодержащей площади торца          коронки;

        Р0 – 0,2-1,0 кН для пород IX категории буримости, учитывая         диаметр;

        S – алмазосодержащая площадь торца;

        S = 17,4 см ;

Р = 1*0,9*17,4 = 15,66 кН;

1.2. При передачи крутящего момента от вращения к породоразрушающему инструменту возникает касательное напряжение, достигающие максимального значения у устья скважины, величину которых рассчитываем по формуле: