Расчет максимальной нагрузки на буровом крюке при подъеме бурильной колонны

4.1 Методика ВНИИБТ

4.1.1 Расчет четырехинтервального профиля (рисунок 2 г). Рассмотрим методику расчета [2, 8] на примере четырехинтервального профиля.

Общее усилие на крюке (Р) складывается из усилий, требующихся для подъема из скважины различных участков бурильной колонны. Рассмотрим эти усилия отдельно.

4.1.2 Нижняя часть бурильной колонны находится в скважине под углом a_к (рисунок 8). Усилие Q_a в точке «а» складывается из продольной составляющей веса в жидкости нижней части колонны и силы трения. Величина Q включает в себя вес долота, турбобура и УБТ.

В точке «а» усилие равно:

, (28)

где - коэффициент трения на рассматриваемом участке.

Предполагаем, что подъем тяжелого низа осуществляется с помощью гибкой невесомой колонны. В точке «б» усилие возрастает, так как направление силы Q_б не совпадает с направление силы Q_a, и появляется сила, прижимающая колонну труб к стенке скважины. За счет этого появляется дополнительная сила трения. Усилие Q_б определяется по формуле:

, (29)

В точке «в» усилие остается равным величине , а в точке «Г» оно возрастает за счет дополнительной силы трения на участке набора a и выражается формулой:

, (30)

таким образом, для подъема низа колонны из скважины рассмотренного профиля требуется усилие Р_нк = Q_Г.

Окончательно имеем:

, (31)

где - вес нижней части колонны в воздухе, тс;

, (32)

, (33)

, (34)

Ориентировочно можно принять [6].

4.1.3 Усилие на крюке при подъеме части колонны, расположенной на участке свободного уменьшения зенитного угла равно:

, (35)

где - угол трения;

q_у - вес единицы длины бурильных труб на участке уменьшения

α, кгс/м;

- удельный вес материала труб, г/см³.

4.1.4 Усилие на крюке при подъеме из скважины части колонны, расположенной на прямолинейно-наклонном участке, рассчитывается по формуле:

, (36)

где γ _п, q_п - соответственно, удельный вес материала труб и вес единицы

длины бурильной колонны на рассматриваемом участке,

г/см³; кгс/м.

, (37)

4.1.5 Усилие, требующиеся для подъема части колонны, расположенной на участке набора зенитного угла, можно найти по формуле:

, (38)

Радиус кривизны на участке набора a (втором) найдем по формуле:

, (39)

где l ₂ - длина участка, м.

4.1.6 Усилие при подъеме части колонны, расположенной в вертикальном участке, равно ее весу в жидкости:

, (40)

где h ₁ = l ₁- длина вертикального участка, м.

4.1.7 Общее усилие на крюке при подъеме всей колонны из скважины составляет:

, (41)

4.2 Расчеты усилия на крюке при подъеме колонны из скважины произвольного профиля.

По изложенной методике можно рассчитывать усилие на крюке при подъеме колонны из скважины, имеющей различное количество участков (рисунок 2).

4.2.1 Расчет усилий Р в случае профиля, показанного на рисунке рисунок 2 а.

расчет Р_нк ведется по формулам (31 - 34) при m_у = 1, a_к = a_max.

Усилие Р_у = 0; Р_п рассчитывается по формулам (36 - 37); Р_п и Р_в вычисляется по формулам (38) и (40).

4.2.2 Расчет усилий Р в случае профиля, показанного на рисунке 2 б.

отличие в расчете от рассмотренного четырехинтервального профиля состоит в том, что Р_п = 0.

4.2.3 Расчет усилий Р в случае профиля, показанного на рисунке 2 в.

При расчете величины Р_нк коэффициент m_у = 1, a_к = a_max. Кроме того Р_у = Р_п = 0.

4.2.4 Расчет усилия Р в случае профиля, показанного на рисунке 2 д.

При расчете величины Р_нк в вес Q_в нижней части колонны необходимо включить вес части бурильной колонны, находящейся в вертикальном (пятом) участке, а также принять a_к = 0, к_пк = 1.

В остальном расчет аналогичен расчету профиля, показанного на рисунке 2 г.

4.2.5 Расчет усилий Р в случае профиля, показанного на рисунке 2 е.

Отличие от расчета, рассмотренного в п. 3.2.4, заключается в том, что Р_п =0.

4.3 Методика СибНИИНП

4.3.1 Нагрузка на крюке для четырехинтервального профиля определяется по следующей формуле:

, (42)

где Q – масса нижней части колонны (долото, турбобур, УБТ) в

жидкости, кг;

q_c, q_п, q_н, q_в – масса 1 м трубы, соответственно, на участках

снижения, стабилизации, увеличения угла

и вертикальном, кг;

l_c, l_п – длина участков снижения и стабилизации, м;

h_н – длина вертикальной проекции участка увеличения угла, м;

h_в – длина вертикального участка, м.

, (43)

, (44)

, (45)

, (46)

, (47)

, (48)

, (49)

, (50)

, (51)

где - зенитный угол на конечной глубине, град;

- средний угол на участке уменьшения, град;

- зенитный угол на участке стабилизации, град;

- углы охвата на участках уменьшения и увеличения угла, град.

4.3.2 Значение коэффициента К_п в зависимости от зенитного угла и коэффициента сопротивления определяется по номограмме 1.

Коэффициент сопротивления для условий Среднего Приобъя равен 0, 3-0, 35.

4.3.3 Для трехинтервального профиля, состоящего из участков вертикального, увеличения и стабилизации угла, нагрузка на крюке может быть определена по формуле:

, (52)

или по номограмме 2.

Номограмма 1 – Определение коэффициента К_п

Номограмма 2 – Определение нагрузки на крюке при подъеме бурильной колонны

Для этого по горизонтальной оси влево от начала координат откладывается величина отклонения забоя А и восстанавливается перпендикуляр к оси до пересечения с линией, соответствующей глубине скважины по вертикали. Из полученной точки проводится прямая, параллельная горизонтальной оси, до пересечения с линией, соответствующей принятому среднему значению коэффициента сопротивления по стволу скважины. Точка пересечения линий по вертикали переносится вниз на линию, соответствующую величине собственного веса колонны (без учета сил сопротивления). По вертикальной оси находится искомое значение нагрузки на крюке. Масса колонны определяется по формуле:

, (53)

где h_п – длина вертикальной проекции прямолинейного наклонного

участка, м.