Projektowanie kolumn rur okładzinowych pod wzgl wytrzymało jednoosiowym stanie
Transkrypt
Projektowanie kolumn rur okładzinowych pod wzgl wytrzymało jednoosiowym stanie
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 Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych – c.d. 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] Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych – c.d. 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 Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych – c.d. 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] Obciążenia działające na kolumnę rur okładzinowych – c.d. 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. Metodyka obliczania kolumn rur okładzinowych w jednoosiowym stanie naprężeń METODY OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWEGO KOLUMN RUR OKŁADZINOWYCH: I. Metoda analityczna uwzględniająca: ciśnienie zgniatające siłę rozluźniającą połączenie gwintowe rur dopuszczalne ciśnienie wewnętrzne II. Metoda graficzna Metodyka obliczania kolumn rur okładzinowych w jednoosiowym stanie naprężeń 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 Metoda analityczna – c.d. Schemat wytrzymałościowy kolumny rur okładzinowych (ze względu na ciśnienie zgniatające) Metoda analityczna – c.d. 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] Metoda analityczna – c.d. Schemat wytrzymałościowy kolumny rur okładzinowych (ze względu na ciśnienie zgniatające i siłę rozluźniającą połączenia gwintowe) Metoda analityczna – c.d. 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] Metoda analityczna – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. • 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]. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. • 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). Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. IV. Kolumna eksploatacyjna – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. IV. Kolumna eksploatacyjna – c.d. 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. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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]. Założenia do projektowania poszczególnych kolumn rur okładzinowych – c.d. 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. Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d. 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). Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d. Rury okładzinowe 340 (13⅜”) Metoda graficzna – c.d. Nomogram dla projektowania rur o średnicy znamionowej 13⅜” Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d. I. Przygotowanie nomogramu do pracy Metoda graficzna – c.d. 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” Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d. Rury 178 (7”) Metoda graficzna – c.d. Przykład graficznego projektowania kolumny rur okładzinowych o średnicy 7” Metody obliczania kolumn rur okładzinowych – c.d. II. Posługiwanie się nomogramem Metoda graficzna – c.d. 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