Projektowanie kolumn rur okładzinowych pod wzgl wytrzymało jednoosiowym stanie

Transkrypt

Projektowanie kolumn rur
okładzinowych pod względem
wytrzymałościowym w
jednoosiowym stanie
naprężeń
1. Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych
2. Metody obliczania kolumn rur okładzinowych
2.1. metoda analityczna
2.2. metoda graficzna
3. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn
rur okładzinowych
Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych
Kolumna rur okładzinowych zapuszczona do otworu
wiertniczego podana jest działaniu następujących
rodzajów obciążeń:
- rozciąganie (wzdłużne,
(wzdłużne, poosiowe),
poosiowe), wywoływane ciężarem
własnym, siłami dynamicznymi powstającymi w czasie rurowania
i innymi siłami;
- zgniatanie pod wpływem ciśnienia zewnętrznego płynów lub skał;
- rozrywanie wskutek ciśnienia panującego wewnątrz kolumn rur;
- skręcanie w odcinkach zmian kąta skrzywienia i azymutu;
- zginanie w krzywoliniowych odcinkach otworu kierunkowego.
Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych – c.d.
Schemat obciążeń działających na kolumnę rur okładzinowych
Naprężenia rozciągające występujące w rurach
okładzinowych dla przekroju znajdującego się w pobliżu
górnego końca kolumny rur zapuszczanej do otworu
kierunkowego określa się ze wzoru:
n
∑Q
σ
r
=
i =1
F
i
2
, [N / m ]
gdzie:
Qi - osiowa składowa ciężaru i-tego odcinka kolumny rur, [N]
F - powierzchnia przekroju rury w caliźnie w pobliżu górnego końca
kolumny rur, [m2]
F = 0,7854 (D2 - d2)
D - średnica zewnętrzna rury w pobliżu górnego końca kolumny rur, [m]
d - średnica wewnętrzna rury w pobliżu górnego końca kolumny rur, [m]
Przyjmując, że dopuszczalna wartość naprężeń rozciągających
dany odcinek rury okładzinowej σn nie powinna przekraczać
wartości doraźnej wytrzymałości na rozciąganie Rmn otrzymuje się
warunek:
n
∑Q
i =1
F
i
2
≤ Rm n ,[ N / m ]
Minimalna siła rozrywająca połączenie gwintowe rur z gwintem
trójkątnym zaokrąglonym określana jest przez zastosowanie
następującego wzoru (wg.
(wg. API):
API):
Qr = 0,95 F Rm
Natomiast minimalną siłę rozluźniającą połączenie gwintowe API
Rd-8 oblicza się przy użyciu wzoru:
 4,99 D−0 , 95 R m

Re
+
Qr = 0,95 F L 
 , [N]
 0,5 L + 0,14 D L + 0,14 D 
gdzie:
Qr - minimalna wytrzymałość połączenia gwintowego, [N]
F - powierzchnia przekroju poprzecznego rury w miejscu ostatniego o pełnego zwoju gwintu,
[mm2]
F = 0,7854 [(D - 3,6195)2 - d2]
D - nominalna średnica zewnętrzna rury, [mm]
d - średnica wewnętrzna rury, [mm]
L - długość gwintu znajdującego się w zaczepieniu przy nominalnym skręcaniu, zgodnie ze
standardem 5B równania L4 - M , [mm]
Rm - minimalna doraźna wytrzymałość materiału rury , [N/m2]
Re - minimalna granica plastyczności materiału rury, [N/m2]
Wartość dopuszczalnego ciśnienia wewnętrznego, przy którym
naprężenia rozciągające na ściance rury osiągają granicę
plastyczności określa się przy pomocy zmodyfikowanego przez
normy API o współczynnik 0,875 wzoru Barlowa:
2 t Re min
, [ MPa ]
pr = 0,875
D
gdzie:
D - nominalna średnica zewnętrzna rury okładzinowej, [m]
t - nominalna grubość ścianki rury okładzinowej, [m]
Re min - minimalna granica plastyczności stali, [MPa]
Metodyka obliczania kolumn rur okładzinowych w jednoosiowym stanie naprężeń
Projekt obliczeń wytrzymałościowych kolumn rur okładzinowych
zapuszczanych do otworów wiertniczych uwzględniać musi
następujące czynniki:
rodzaj rur okładzinowych (walcowane, spawane);
odmiany wytrzymałościowe stali, z których wykonywane są rury
okładzinowe;
standaryzowane wielkości geometryczne charakteryzujące rury
okładzinowe (maksymalne wartości średnic zewnętrznych i minimalne
wartości średnic wewnętrznych, grubości ścianek);
ciężar jednostki długości rury okładzinowej;
typ złącza i rodzaj połączeń gwintowych;
dostępność na rynku, cena.
METODY OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWEGO
KOLUMN RUR OKŁADZINOWYCH:
I.
Metoda analityczna
uwzględniająca:
ciśnienie zgniatające
siłę rozluźniającą połączenie gwintowe rur
dopuszczalne ciśnienie wewnętrzne
II. Metoda graficzna
Podstawą projektowania orurowania metodą analityczną są
tabele wytrzymałościowe rur okładzinowych obliczonych na
dopuszczalne zewnętrzne ciśnienie zgniatające i ciśnienie
wewnętrzne oraz tabele wytrzymałościowe połączeń gwintowych.
Dane te wraz z odpowiednio dobranymi współczynnikami
bezpieczeństwa umożliwiają zaprojektowanie równowytrzymałej
kolumny rur okładzinowych poprzez określenie dopuszczalnych
głębokości zapuszczania poszczególnych sekcji.
Pod pojęciem sekcji rur okładzinowych rozumie się rury
wykonane ze stali jednego gatunku i tej samej odmiany
wytrzymałościowej oraz o jednakowej grubości ścianki.
Metoda analityczna
DOPUSZCZALNA GŁĘBOKOŚĆ ZAPUSZCZANIA RUR
ze względu na ciśnienie zgniatające
(dla wybranej grubości ścianki i gatunku stali)
gdzie:
Pzgi – dopuszczalne ciśnienie zgniatające dla
i-tej grubości ścianki [Pa]
• wartość odczytana z tabel rur (API, PN,
producenta)
• obliczona wzorami (API, Hubera,
Bugłakowa, Sarkisowa, Jeremienki)
γp – ciężar właściwy płuczki wypełniającej otwór przed rurowaniem [N/m]
n – współczynnik bezpieczeństwa na zgniatanie;
• wg API: n=1,0 kolumna prowadnikowa;
n=1,1 kolumna pośrednia i eksploatacyjna
• wg wzorów n ∈ [1,15 ÷ 1,5]
Metoda analityczna – c.d.
DŁUGOŚĆ POSZCZEGÓLNYCH SEKCJI RUR
ze względu na ciśnienie zgniatające
gdzie:
Hdi – dopuszczalna głębokość zapuszczenia rury okładzinowej z uwagi na
ciśnienie zgniatające dla i-tej grubości ścianki i i-tego gatunku stali
Hdi+1 – dopuszczalna głębokość zapuszczenia rury okładzinowej
dla: i+1 grubości ścianki i i-tego gatunku stali
lub i-tej grubości ścianki i i+1 gatunku stali
Schemat wytrzymałościowy
kolumny rur okładzinowych (ze
względu na ciśnienie zgniatające)
SIŁY ROZLUŹNIAJĄCE POŁĄCZENIA GWINTOWE
gdzie:
h’2 – dopuszczalna długość drugiej sekcji
(licząc od dołu) ze względu na siłę rozluźniającą
połączenia gwintowe [m]
Pr2 – siła rozluźniająca połączenia gwintowe dla
drugiego od dołu odcinka kolumny, [N]
• wartość wyczytana z tabel rur
• obliczana wzorami:
k = 1,3
Jakowlewa
k = 1,5
Szumiłowa
k = 2,0
Thomasa
Mannesmanna k = 2,2
k – współczynnik bezpieczeństwa –
wg API k ∈ [2,0 ÷ 1,6]
q2 – ciężar jednostkowy rury okładzinowej wraz ze
złączką dla drugiego odcinka rur, [N/1m]
qs1 – ciężar jednostkowy rury wraz z mufą dla
pierwszego odcinka rur, [N/1m]
Q1 = h1 · qs1 , [N]
Q1 – ciężar
pierwszego odcinka
rur (sekcji) , [N]
Schemat wytrzymałościowy kolumny
rur okładzinowych (ze względu na
ciśnienie zgniatające i siłę
rozluźniającą połączenia gwintowe)
WYTRZYMAŁOŚĆ NA CIŚNIENIE WEWNĘTRZNE
(NA ROZRYWANIE)
gdzie:
h’2 – współczynnik bezpieczeństwa na ciśnienie
wewnętrzne
wg API:
s > 1,0 dla kolumn rur prowadnikowych
i pośrednich (technicznych)
s > 1,1 dla kolumn rur eksploatacyjnych
Pw – najmniejsze ciśnienie powodujące rozerwanie rur
(dopuszczalne ciśnienie wewnętrzne) [Pa]
- wartość odczytana z tabel (API, PN lub producenta)
Po – ciśnienie wewnętrzne na określonej głębokości [m]
Pzł – ciśnienie złożowe [Pa]
Pz – ciśnienie zewnętrzne panujące poza kolumną rur
(przyjmuje się ciśnienie hydrostatyczne słupa wody) [Pa]
Hks – głębokość zapuszczenia sekcji rur
(koniec sekcji, licząc od dołu) [m]
γw – ciężar właściwy wody [N/m3]
Końcowy schemat
wytrzymałościowy kolumny rur
okładzinowych o średnicy 7”
Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych
Ogólne wytyczne dotyczące projektowania kolumn rur
okładzinowych.
I. Kolumna wstępna
Kolumnę wstępną sprawdza się na wytrzymałość na zgniatanie
w przypadku, gdy głębokość zapuszczenia rur przekracza 50 m,
zakładając całkowite opróżnienie kolumny.
Jako ciśnienie zgniatające przyjmuje się ciśnienie
hydrostatyczne słupa płuczki wypełniającej otwór wiertniczy
podczas rurowania.
Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d.
II. Kolumna prowadnikowa
Wytrzymałość na ciśnienie zgniatające:
a) w obliczeniach nie uwzględnia się dwuosiowego stanu naprężeń;
b) zakłada się, że kolumna rur może zostać opróżniona do buta rur;
c) jako ciśnienie zgniatające przyjmuje się do obliczeń ciśnienie
hydrostatyczne słupa wody działające za rurami okładzinowymi;
d) w przypadku dobrego rozpoznania warunków geologicznowiertniczych można przyjąć, że kolumna prowadnikowa może być
maksymalnie opróżniona do 40% głębokości jej zapuszczenia, ale
wówczas uwzględnia się faktyczną gęstość płuczki, jaka jest
przewidywana w otworze podczas zapuszczania rur.
•
Wytrzymałość połączeń gwintowych.
Przyjmuje się ciężar rur w powietrzu.
•
II. Kolumna prowadnikowa – c.d.
Wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne:
a) przy obliczeniach uwzględnia się, że poza rurami działa ciśnienie słupa
wody;
b) nie uwzględnia się dwuosiowego stanu naprężeń od sił rozciągających
i ciśnienia wewnętrznego;
c) w przypadku braku innej informacji jako maksymalne ciśnienie
wewnętrzne przyjmuje się wartość wyliczoną wg następującego
wzoru:
pw = 0,01 H
gdzie :
H - głębokość zapuszczenia pierwszej kolumny technicznej, [m]
d) w przy sprawdzaniu szczelności kolumny rur poddaje się ją ciśnieniu,
powodującemu szczelinowanie skał przy gradiencie 0,0233 [MPa/m].
II. Kolumna prowadnikowa – c.d.
Współczynniki bezpieczeństwa przy projektowaniu kolumn
prowadnikowych:
a) na zgniatanie n = 1,0;
b) na wytrzymałość połączenia gwintowego:
k = 2 - dla rur krajowych skręcanych bez użyciem
momentomierza;
k = 1,75 - dla rur krajowych skręcanych z użyciem
momentomierza oraz importowanych o złączkach wg norm API bez
użycia momentomierza;
k = 1.6 - dla rur importowanych o złączkach wg norm API
skręcanych z użyciem momentomierza;
c) na ciśnienie wewnętrzne s = 1,0.
III. Kolumny techniczne
Wytrzymałość na ciśnienie zgniatające:
a) przyjmuje się, że za rurami działa ciśnienie hydrostatyczne słupa
płuczki o ciężarze właściwym takim jak przed rurowaniem;
b) zakłada się opróżnienie kolumny technicznej do połowy jej długości,
ewentualnie w przypadku wykonywania prób przyjmuje się, że
kolumna może być opróżniona całkowicie;
c) przy ustalaniu grubości ścianek zaleca się uwzględnienie
dwuosiowego stanu naprężeń bez uwzględniania straty ciężaru
kolumny rur zanurzonych w płuczce;
d) nie uwzględnia się wpływu pierścienia cementowego na zwiększenie
wytrzymałości obudowy otworu.
• Wytrzymałość połączeń gwintowych.
III. Kolumny techniczne – c.d.
Do obliczeń przyjmuje się ciężar rur w powietrzu lub kolumny częściowo
opróżnionej z płuczki wiertniczej. Uwzględnia się przyrost sił rozciągających
kolumnę rur okładzinowych, wynikających z przestrzennego skrzywienia trajektorii
osi otworu kierunkowego.
• Wytrzymałość kolumny na ciśnienie wewnętrzne:
a) do obliczeń przyjmuje się, że za rurami działa ciśnienie słupa wody;
b) w przypadku braku innych informacji przyjmuje się wartość ciśnienia
obliczanego wg wzoru:
pw = 0,01 H
gdzie: H - planowana głębokość zapuszczenia następnej kolumny rur
okładzinowych, [m]
lub też za maksymalne ciśnienie głowicowe przyjmuje się 0,66 wartości ciśnienia
dennego, pochodzącego od słupa solanki o gęstości 1154 [kg/m3], odniesionego
do głębokości zapuszczenia kolumny - przyjmuje się wartość większą;
c) w obliczeniach nie uwzględnia się dwuosiowego stanu naprężeń (od sił
rozciągających i ciśnienia wewnętrznego).
III. Kolumny techniczne – c.d.
• Współczynniki bezpieczeństwa przy
projektowaniu kolumn technicznych
a) na zgniatanie n = 1,1;
b) na wytrzymałość połączenia
gwintowego analogicznie, jak dla
kolumn prowadnikowych;
c) na ciśnienie wewnętrzne s = 1,0.
IV. Kolumna eksploatacyjna
Wytrzymałość na zginanie:
a) zakłada się, że za rurami działa ciśnienie hydrostatyczne słupa
płuczki o ciężarze właściwym w momencie rurowania otworu;
b) przewiduje się całkowite opróżnienie kolumny rur z cieczy do
buta rur;
c) w obliczeniach uwzględnia się dwuosiowy stan naprężenia.
Wytrzymałość połączeń gwintowych.
Do obliczeń przyjmuje się ciężar rur w powietrzu lub kolumny
częściowo opróżnionej z płuczki wiertniczej. Uwzględnia się
przyrost sił rozciągających kolumnę rur okładzinowych,
wynikających z przestrzennego skrzywienia trajektorii osi otworu
kierunkowego.
IV. Kolumna eksploatacyjna – c.d.
• Wytrzymałość kolumny na ciśnienie wewnętrzne:
a) maksymalne ciśnienie wewnętrzne przyjmuje się równe
spodziewanej wartości ciśnienia złożowego;
b) do obliczeń przyjmuje się, że za rurami okładzinowymi działa
ciśnienie słupa wody;
c) w przypadku przewidywania zabiegów intensyfikacyjnych (np.
szczelinowania) , gdy brak jest innych danych za ciśnienie
wewnętrzne przyjmuje się ciśnienie geostatyczne o gradiencie
0.0233 [MPa/m], z uwzględnieniem ciśnienia słupa cieczy w
otworze.
Współczynniki bezpieczeństwa przy projektowaniu
kolumn eksploatacyjnych:
a) na zgniatanie n = 1,1 ; w otworach o głębokości ponad
3000 m - n = 1,15;
b) na wytrzymałość połączenia gwintowego analogicznie jak dla
kolumn prowadnikowych i technicznych;
c) na ciśnienie wewnętrzne s =1,1.
Podane powyżej wartości współczynników bezpieczeństwa,
przyjmowane przy obliczeniach kolumn rur na ciśnienie zgniatające,
wytrzymałość połączenia gwintowego oraz ciśnienie wewnętrzne są
wartościami minimalnymi.
W uzasadnionych przypadkach można przyjmuje się wartości większe.
W otworach głębokich, powyżej 3000 m, w których występują pokłady soli
o znacznej grubości lub skały plastyczne, zwłaszcza w pobliżu strefy
eksploatacyjnej, należy dla odcinków zapuszczanych w tych interwałach
stosować współczynnik bezpieczeństwa na zgniatanie rzędu 1,2 do 1,3.
W przypadku zalegania warstw słabozwięzłych w rejonie strefy
eksploatacyjnej otworu należy również zwiększyć wartość współczynnika
bezpieczeństwa na zgniatanie w tym interwale do wartości 1,3 - 1,5.
W otworach normalnośrednicowych w zasadzie nie uwzględnia się sił
pochodzących od poziomego nacisku górotworu, z wyjątkiem, gdy w
profilu geologicznym występują skały mające tendencję do plastycznego
płynięcia.
V. Wpływ temperatury
Dla odcinka rur okładzinowych znajdujących się w otworze w
temperaturze statycznej powyżej 120°C należy uwzględnić
poprawkę na zmniejszenie granicy plastyczności korzystając ze
wzoru:
Ret = Re - 1627,90 t2 - 162790 t
gdzie:
Re - granica plastyczności materiału rur, [Pa]
Ret - granica plastyczności materiału rur w temperaturze t, [Pa]
t - temperatura statyczna w otworze, [°C].
Obliczenia w dwuosiowym stanie naprężeń
Kolumny rur należy obliczać w dwuosiowym stanie naprężeń
w jej części rozciąganej w następujących przypadkach:
Przewidywane jest oddziaływanie ciśnień złożowych o gradientach
powyżej 0,013 [MPa/m].
Głębokość zapuszczenia kolumny rur w otworze pionowym
przekracza:
- 1500[m] dla rur powyżej 11 3/4";
- 2500[m] dla rur 9 5/8 - 11 3/4 ";
- 3500[m] dla rur poniżej 9 5/8 ".
Kolumna rur okładzinowych zapuszczana jest do krzywoliniowych
odcinków otworu kierunkowego.
Planowana jest eksploatacja bez pakera.
Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d.
Metoda graficznego projektowania konstrukcji
kolumn rur okładzinowych pod względem
wytrzymałościowym
Metoda graficznego projektowania polega na wykorzystaniu
odpowiednio skonstruowanych nomogramów.
Nomogramy te zostały sporządzone przy uwzględnieniu
dwuosiowego stanu naprężeń w rurach, a ciśnienie
zgniatające (Pzg) i siły rozluźniające połączenia gwintowe (Pr)
zostały obliczone według wzorów API.
Metoda graficzna – c.d.
Każdy nomogram składa się z 5 części:
• Po lewej stronie znajduje się nomogram pomocniczy,
przedstawiający zależność ciśnienia zewnętrznego, działającego
na rury okładzinowe, od ciężaru właściwego płuczki przy różnych
głębokościach otworu,
• Następnie (idąc w prawo) znajduje się miejsce na graficzne
przedstawienie konstrukcji danej kolumny rur,
• Pośrodku znajduje się „linia odniesienia wzrostu obciążenia”,
• W prawej części nomogramu znajdują się krzywe zależności
dopuszczalnego ciśnienia zewnętrznego od obciążenia
rozciągającego rurę, wywołanego ciężarem własnym kolumny rur
(różne gatunki stali i grubości ścianek)
• W dolnym prawym rogu znajduje się tabela wartości:
• Sił rozluźniających połączenie gwintowe (Pr),
• Wytrzymałości na ciśnienie wewnętrzne (Pw).
Rury okładzinowe 340 (13⅜”)
Nomogram dla projektowania rur o średnicy znamionowej 13⅜”
I. Przygotowanie nomogramu do pracy
Na krzywych odpowiadających gatunkom stali i grubości ścianek nanosi
się punkty (1-5), określające wytrzymałość połączenia gwintowego przy
założonym współczynniku bezpieczeństwa „K” (Pr/k),
Obliczenie iloczynu ciężaru właściwego płuczki i współczynnika
bezpieczeństwa na zgniatanie „n” (γγp·n)
Z punktu o wartości uprzednio iloczynu w lewej części nomogramu
wykreśla się linię pionową „L” – tzw. „linię programowania”
Z punktu „K”, otrzymanego z przecięcia się linii „L” z linią wzrostu
ciśnienia zewnętrznego dla określonej głębokości (dla rur 7” – 2500 m),
kreśli się poziomą do przecięcia z linią odniesienia wzrostu obciążenia
(K’)
Łącząc punkt K’ z punktami oznaczającymi grubości ścianek otrzymuje
się pęk prostych, określających wzrost obciążenia rozciągającego przy
głębokości 2500 m (środkowa część nomogramu)
Z punktu o wartości ciężaru właściwego płuczki (γγp) (lewa część
monogramu) wykreśla się linię pionową „P”
Rury 178 (7”)
Przykład graficznego projektowania kolumny rur okładzinowych o średnicy 7”
II. Posługiwanie się nomogramem
Z punktu „A” otrzymanego z przecięcia linii „L” z linią końcowej
głębokości zarurowania (np. 5600m) wykreśla się prostą poziomą do
przecięcia z linią zerowego obciążenia rozciągającego – punkt „B”
leżący w obszarze rury o określonym gatunku (np. 088 = P110) i
grubości ścianki (np. 12,6 mm)
Z punktu „B” kreśli się prosta równoległą do prostej określającej
wzrost obciążenia rozciągającego (K-12,6) do obszaru rury
następnego gatunku stali (np. 088) i mniejszej grubości ścianki (np.
11,5 mm)
Na wykreślonej prostej przyjmuje się punkt „C” leżący blisko krzywej
dotyczącej analizowanej rury (np. 088-11,5)
Z punktu „C” należy wykreślić poziomą do przecięcia się z prostą „L”
– uzyskując punkt „C’” odpowiadający głębokości I sekcji (5150m)
I sekcja będzie miała długość 450 m (5600-5150) i będzie składać się
rur wykonanych ze stali P-110 (088) i grubości ścianki 12,6 mm.
DZIĘKUJĘ
ZA UWAGĘ

Projektowanie kolumn rur okładzinowych pod wzgl wytrzymało jednoosiowym stanie

Transkrypt

Podobne dokumenty