Практическая работа № 12

Тема: Выбор и расчёт колонны насосно-компрессорных труб при различных способах эксплуатации

Цель работы:

закрепить знания по теме «Насосно-компрессорные трубы»;

сформировать навыки расчётов колонны НКТ при различных способах эксплуатации скважин;

усвоить особенности расчётов, обобщить и систематизировать полученные знания.

Общие сведения

В соответствии с ГОСТ 633-80 для эксплуатации нефтяных и газовых скважин применяются стальные бесшовные насосно-компрессорные трубы следующих типов:

• трубы гладкие и муфты к ним с треугольной резьбой с углом при вершине 60º (табл. 11.1). Эти трубы изготавливаются с шагом резьбы 2,540 мм (10 ниток на 1" дюйм) и 3,175 мм (8 ниток на 1"). Соответственно высота профиля резьбы h состав­ляет 1,412 мм и 1,810 мм;

• трубы с высаженными наружу концами и муфты к ним также с треугольной резьбой с углом при вершине 60° (табл. 12.2);

• гладкие высокогерметичные трубы (НКМ) с трапецеидаль­ной резьбой и муфты к ним (табл. 12.3);

• насосно-компрессорные безмуфтовые трубы (НКБ) с высаженными наружу концами с трапецеидальной резьбой (табл. 12.4).

Масса 1 п. м (табл. 12.1-12.4) рассчитана для трубы длиной 8 м с учетом массы муфты. Для труб с другой длиной (исполнения А) следует пользоваться данными ГОСТ 633-80.

Расчет насосно-компрессорных труб при фонтанно-ком­прессорной эксплуатации скважин следует проводить на стра­гивающую нагрузку в резьбовом соединении, на предельную нагрузку в опасном сечении и на внутреннее давление.

Таблица 12.1

Трубы гладкие с треугольной резьбой

Условный диаметр трубы	Наружный диаметр D, мм	Толщина стенки δ, мм	Наружный диаметр муфты Dм, мм	Масса 1 п.м, кг	Высота резьбы, h, мм	Длина резьбы до основной плоскости L, мм
33	33,4	3,5	42,2	2,65	1,412	16,3
42	42,2	3,5	52,2	3,37	»	19,3
48	48,3	4,0	55,9	4,46	»	22,3
60	60,3	5,0	73,0	6,96	»	29,3
73	73,0	5,5; 7,0	88,9	9,5; 11,7	»	40,3
89	88,0	6,5	108,0	13,65	»	47,3
102	101,6	6,5	120,6	15,76	1,81	49,3
114	114,3	7,0	132,1	19,1	»	52,3

Таблица 12.2

Трубы с высаженными наружу концами с треугольной резьбой

Условный диаметр трубы	Наружный диаметр D, мм	Толщина стенки δ, мм	Наружный диаметр муфты Dм, мм	Масса 1 п.м, кг	Высота резьбы, h, мм	Длина резьбы с полным профилем L, мм	Наружный диаметр высажен-ной части Dн, мм
1	2	3	4	5	6	7	8
27	26,7	3,0	42,2	1,86	1,412	16,3	33,4
33	33,4	3,5	48,3	2,68	»	19,3	37,3
42	42,2	3,5	55,9	3,41	»	22,3	46,0
48	48,3	4,0	63,5	4,55	»	24,3	53,2
60	60,3	5,0	77,8	7,08	1,81	37,3	65,9
1	2	3	4	5	6	7	8
73	73,0	5,5 7,0	93,2	9,66 11,86	»	41,3	78,3
89	88,9	6,5 8,0	114,3	13,9 16,7	»	47,3	95,2
102	101,6	6,5	127,0	16,0	»	51,3	108,0
114	114,3	7,0	141,3	19,5	»	54,3	120,0

Таблица 12.3

Трубы НКМ с трапецеидальной резьбой

Условный диаметр трубы	Наружный диаметр D, мм	Толщина стенки δ, мм	Наружный диаметр муфты Dм, мм	Масса 1 п.м, кг	Высота резьбы, h, мм	Длина резьбы до основной плоскос-ти L, мм	Внутрен-ний диаметр резьбы в основной плоскости dвн, мм
60	60,3	5,0	73,0	7,02	120	48	57,925
73	73,0	5,5 7,0	89,0	9,51 11,71	»	48	70,625
89	88,9	6,5 8,0	108,0	13,7 16,5	»	58	86,500
102	101,6	6,5	120,6	15,84	»	58	99,200
114	114,3	7,0	132,1	19,42	1,60	72	111,100

Таблица 12.4

Трубы НКБ с трапецеидальной резьбой

Услов-ный диаметр трубы	Наруж-ный диаметр D, мм	Толщи-на стенки δ, мм	Наруж-ный диаметр муфты Dм, мм	Масса 1 п.м, кг	Высота резьбы, h, мм	Длина резьбы до основной плоскос-ти L, мм	Внутрен-ний диаметр резьбы в основной плоскости dвн, мм
60	60,3	5,0	71,0	7,02	1,20	44	62,267
73	73,0	5,5 7,0	84 86	9,5 11,72	»	49	75,267
89	88,9	6,5 8,0	102 104	13,6 16,46	»	49	91,267
102	101,6	6,5	116	15,7	>	49	104,267
114	114,3	7,0	130	19,1	1,20	49	117,267

На страгивающую нагрузку рассчитываются гладкие НКТ с треугольной резьбой и высокогерметичные трубы НКМ с трапецеидальной резьбой, так как наиболее слабым сечением у этих труб является резьбовое соединение. Наиболее часто употребляется формула Ф. И. Яковлева:

, (12.1)

где b = δ - h₁ - толщина тела трубы под резьбой в основной плоскости;

h₁ - высота профиля резьбы;

D_ср = d + b - средний диаметр тела трубы под резьбой;

d - внутренний диаметр трубы;

η = b / (δ + b) - поправка Шумилова;

α - угол наклона несущей поверхности резьбы к оси трубы;

φ - угол трения в резьбе (φ = 7° - 9°);

L - длина резьбы с полным профилем;

σ_т - предел текучести материала трубы.

На предельную нагрузку труба рассчитывается по основно­му телу. Очевидно, что наряду с расчетом на страгивающую нагрузку такому расчету, в первую очередь, следует подвергать НКТ с высаженными наружу концами с треугольной резьбой и НКБ с трапецеидальной резьбой:

, (12.2)

где D_р - диаметр резьбы в основной плоскости по впадине витков для гладких НКТ или диаметр наружной основного тела НКТ с высаженными наружу концами и НКБ.

Наименьшая из двух (страгивающая и предельная) нагрузок принимается за расчетную, и определяется допустимая глубина спуска данной трубы с заданным коэффициентом запаса:

, (12.3)

где Р_рас - расчетная нагрузка;

q - масса 1 погонного метра трубы с учетом муфт и высаженной части;

n - коэффициент запаса (n = 1,2 - 1,3);

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

При расчете 2-й и последующих секций за Р_рас принимается разность текущего и предыдущего значений нагрузки.

Например: для 3 - й секции Р_рас = Р_стр3 - Р_стр2.

Расчет на внутреннее давление производится на допустимое давление, исходя из прочности и геометрических параметров трубы по формуле Барлоу:

, (12.4)

где δ - толщина основного тела трубы;

[σ_т] = σ_т/η - допустимое значение предела текучести (по ГОСТ 633-80, η=1,25; по другим источникам η = 1,3-1,5);

D_н - наружный диаметр основного тела трубы.

Необходимо также определить фактическое внутреннее давление, определяемое высотой столба жидкости в трубах:

, (11.5)

где L_тр1 - длины секций НКТ;

ρ_ж - плотность жидкости; g = 9,81 м/с².

Условием надежной работы НКТ является Р_вн > Р_ф.

Задача 1

Исходя из условий прочности НКТ на разрыв в опасном сечении, на страгивающие нагрузки в резьбовом соединении и на внутреннее давление, определить глубину спуска ступеней колонны гладких насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой из стали групп прочности «Д», «К» общей длиной 2900 м для фонтанирующей скважины глубиной 3000 м, имеющей обсадную колонну диаметром 114х7,4 мм. При расчете пренебрегаем потерей веса колонны труб в жидкости, так так уровень жидкости в межтрубном пространстве во время работы может быть оттеснен до башмака колонны труб.

Пример решения:

Примем за 1-ю секцию гладкие НКТ 48 х 4 из стали групп прочности «Д» (σ_т=380 МПа). Страгивающую нагрузку определим по формуле (12.1). Недостающие данные возьмем из табл. 12.1. Найдем:

Предельную нагрузку определим по формуле (11.2):

Выбрав страгивающую нагрузку за расчетную как наименьшую, определим допустимую глубину спуска секции НКТ по формуле 12.3:

.

Поскольку 2030 м < 2900 м, для верхней секции берем больший размер:

НКТ 60 х 5 мм; q₁₂ = 6,96 кг/м; L = 29,3; h₁ = 1,41 мм.

Находим:

Предельная нагрузка

так как и в этом случае Р_пр2 > Р_стр2, за расчетную нагрузку принимаем Р_стр.

Длина 2-й секции

Таким образом, суммарная длина колонны составит

2030 + 965 + 2995 м < 2900 м.

Минимальный зазор с обсадной колонной составит

S = 114 - 2·7,4 - D_{м нкт} = 99,2 - 73 = 26,2 мм.

Допустимое внутреннее давление для нижней трубы НКТ 48 х 4 мм

(формула 12.4)

Определяем фактическое внутреннее давление трубы, по формуле (12.5) при плотности добываемой жидкости ρ_ж = 850 кг/м³, Р_буф = 0,5 МПа:

.

Следовательно, выбранная нами ступенчатая колонна НКТ проходит как по условию прочности, так и по внутреннему давлению для заданных условий скважины.

Задача 2

Определить глубину спуска ступенчатой колонны типа НКБ с трапецеидальной резьбой из стали групп прочности «Д» для фонтанирующей скважины глубиной 4500 м, имеющей эксплуатационную колонну диаметром 127x10,7 мм. При расчете пренебрегаем потерей веса колонны труб в жидкости, так как уровень жидкости в межтрубном пространстве во время работы может быть оттеснен до башмака колонны труб.

Пример решения:

Предположим, что из условия пропускной способности нижняя секция определена как НКБ 60 x 5 мм. Принимаем группу прочности «Д» (σ_т = 380 МПа) для нижней секции. Определим страгивающую нагрузку по формуле (12.1). Внутренний диаметр d = D - 2·δ = 60,3 - 2·5 = 50,3 мм.

Толщина стенки под резьбой ниппеля

.

Угол α для трапецеидальной резьбы (ГОСТ 633-80)

.

Угол трения φ » 3°, так как при больших значениях φ сtg (α + φ) будет отрицательный и страгивающая нагрузка будет неоправданно возрастать. Следовательно, ctg(α+φ) = 0 и формула (12.1) преобразуется для трапецеидальной резьбы:

, (12.1')

Тогда

.

Для проверки определим страгивающую нагрузку относительно муфтовой части трубы. Толщина стенки над резьбой муфтовой части

.

В расчетной плоскости муфты (b - 3,06)/(44 - 13) = 1:12.

Отсюда

.

По формуле (12.1') страгивающая нагрузка для муфтовой части

,

что превышает Р_стр для трубы.

Предельную нагрузку определим по основному телу трубы как имеющую наименьшую толщину стенки по формуле (12.2):

.

Следовательно, за расчетную нагрузку следует принимать предельную как наименьшую.

Длина 1-й секции

.

Для второй секции используем НКБ 73х5,5 мм; гр. прочности «Д»; q = 9,5 кг/м. Определим Р_стр по формуле (12.1).

Находим внутренний диаметр

d = 73 - 2·5,5 = 2 мм.

Толщина стенки под резьбой ниппеля

;

;

.

Предельная нагрузка по основному телу трубы по формуле (12.2)

.

Следовательно, и для этих труб расчетной будет предельная нагрузка.

Длина 2-й секции

.

Таким образом, суммарная длина колонны составят

.

Минимальный зазор с обсадной колонной составит

.

Допустимое внутреннее давление для нижней трубы НКБ 60х5 мм

(формула 12.4).

.

Определяем фактическое внутреннее давление трубы по формуле (12.5) при плотности добываемой жидкости ρ_ж = 900 кг/м³, Р_буф= 0; Р_ф<Р_вн, следовательно, выбранная нами ступенчатая колонна проходит как по условию прочности, так и по внутреннему давлению для заданных условий скважины.

Задача 3

Рассчитать аварийную нагрузку на гладкие НКТ 60x5 мм длиной 1400 м при спущенном в них насосе НГН на штангах диаметром 16 мм на глубину 1200 м. Дина­мический уровень - 1150 м, ρ_ж = 900 кг/м³.

Пример решения:

Определим вес труб по формуле:

Вес штанг в жидкости определим по формуле:

Штанги диаметром 16 мм; f_ш = 2,01 см²; q_ш = l,67 кг/м; D_м = 38 мм; диаметр муфты меньше внутреннего диаметра НКТ на 12 мм.

Вес столба жидкости в трубах:

Сила инерции от оборвавшихся штанг по формуле (12.7):

Аварийная нагрузка на НКТ (формула (12.5))

Страгивающую нагрузку на гладкие НКТ 60 x 5 мм опре­делим по формуле (12.1).

Для НКТ 60 х 5 мм:

q = 6,96 кг/м;

Lp = 29,3 мм;

h₁ = 1,41 мм.

Найдем: b = 5,0 - 1,41 = 3,59 мм;

d = 60,3 - 2·5 = 50,3 мм;

Коэффициент запаса по страгивающей нагрузке из форму­лы (12.8)

Трубы выдерживают аварийную нагрузку с запасом 1,4.

Контрольные вопросы:

1. Назовите типы насосно-компрессорных труб в соответствии с ГОСТ 633-80.

2. Перечислите размерный ряд НКТ.

3. С какой целью применяются двух- , трёхступенчатые колонны НКТ?

4. Какие нагрузки действуют на колонну НКТ при фонтанном способе эксплуатации, при добыче штанговыми скважинными насосами?

5. Материалы для изготовления НКТ.

6. Перечислите прочностные характеристики НКТ.

7. Физический смысл величины «предел текучести».

8. Как определить действующие напряжения в теле трубы?