Расчётного скважинного герметизатора Комплекса оборудование для бурения скважин. Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчётного скважинного герметизатора Комплекса оборудование для бурения скважин-Расчетно-пояснительная записка-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа-Нефтегазовая промышленность
5 расчеты работоспособности.........................................................
5.1 расчет условий использования герметизатора..............................
5.2 расчет ствола герметизтора на прочность...............................
5.3 Расчет на прочность гайки фиксации
самоуплотняющейся манжеты………………………………………………
5.4 исследование работы самоуплотняющей манжеты.......................
5.4.2 Расчет веса секции труб необходимых
для расчехления манжеты……………………………………………………

5 РОЗРАХУНКИ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ

5.1 Розрахунок умов використання герметизатора

 Свердловинний герметизатор експлуатують в обсадній трубі умовним діаметром 245мм. Дані обсадні труби мають різні товщини стінок (таблиця 5.1). Необхідно розрахувати зазори між кожухом і обсадною, а також натягти само ущільнювальної манжети в обсадній трубі при різних товщина стінки обсадної труби.
Таблиця 5.1
Товщина стінки обсадної труби умовним діаметром 245 мм  
Номер варіанта 1 2 3 4 5
Товщина стінки s, мм [4] 8,9 10,0 11,1 12,0 13,8

 Наведемо вихідні дані для розрахунку (рисунок 5.1)
- зовнішній діаметр обсадної труби dтр = 244,5 мм;
- зовнішній діаметр кожуха герметизатора dк = 216 мм;
- зовнішній діаметр само ущільнювальної манжети dм = 225 мм;
- внутрішній діаметр кожуха герметизатора Dк = 208 мм.
Визначимо натяг Nк само ущільнювальної манжети в кожусі герметизатора
    Nk = dм – Dк ,    (5.1)
   Nk = 225 – 208 = 17 мм.
Обчислимо наступні величини за формулами, що наведені нижче і
результати занесемо в таблицю 5.2:
- внутрішній діаметр обсадної труби Dтр
Dтр = dтр – 2 . s;     (5.2)




- зазор між кожухом і обсадною трубою Δd
   Δd = Dтр - dк;       (5.3)
- натяг манжети в обсадній трубі
N = dм - Dтр.       (5.4)
Таблиця 5.2
Результати розрахунків посадки герметизатора в свердловині  
Параметри Варіанти
 1 2 3 4 5
Товщина стінки s, мм 8,9 10,0 11,1 12,0 13,8
Внутрішній діаметр обсадної труби Dтр, мм 226,7 224,5 222,3 220,5 216,9
Зазор між кожухом і обсадною трубою Δd, мм 10,7 8,5 6,3 4,5 0,9
Натяг манжети в обсадній трубі N, мм - 0,5 2,7 4,5 8,1

 проведемо аналіз результатів, які наведені в таблиці 5.2.
-  Як бачимо, герметизатор не за герметизує свердловину з трубами з
товщиною стінки s = 8,9 мм (манжета знаходиться в трубі з зазором). Те ж саме можна сказати про труби з товщиною стінки s = 10,0 мм (натяг манжети N = 0,5 мм не достатній для герметизації). Проблематичною буде експлуатація герметизатора в свердловині з трубами товщина стінок яких s = 13,8 мм. Зазор Δd = 0,9 мм між кожухом і трубою є занадто малий, що ускладнить монтаж і демонтаж герметизатора в свердловині. Найкращим варіантом є варіант 4 (s = 12,0 мм). Зазор і натяг є сприятливими для монтажу, демонтажу і проведення герметизації при проведенні гідравлічного випробування. Також можливе опресування при трубах товщини стінок яких s = 11,1 мм (варіант 3).

5.2 Розрахунок ствола герметизтора на міцність

 Важливою складовою частиною свердловинного герметизатора є ствол. Ствол являє собою бурильну трубу умовним діаметром 114 мм з товщиною стінки s = 10 мм. На верхньому кінці труби нарізана трубна конічна різьба ГОСТ 631 – 75; довжина нарізки L = 80 мм. На нижньому кінці труби нарізана різьба метрична М114х2; довжина нарізки 60 мм (буде уточнюватись в подальших розрахунках). На відстані 230 мм від нижнього кінця труби приварене верхнє упорне кільце. Зварний шов ГОСТ14771 – 76 Т2 – РнЗ – Δ8 – 50/100.
 Метою даного розрахунку є підбір матеріалу ствола (групи міцності сталі). Ствол піддається розтягую чому навантаженню від дії сили гідравлічного випробування Q на ствол герметизатора. А також тиск на зовнішню циліндричну поверхню, створюючи радіальні напруження.
 Маємо плоский напружений стан:
 σ1- осьові напруження;
 σ3- радіальні напруження.
 В умовах складного напруженого стану умова міцності
    ,      (5.5)
 де - еквівалентні напруження, МПа;
  σт – границя текучості матеріалу, МПа;
  n – коефіцієнт запасу міцності за границею текучості, n = 1,5.

Еквівалентні напруження згідно третьої теорії міцності визначаються за
формулою
      
і представляють собою різницю алгебраїчних величин максимальної та мінімальної складових напружень.
 Третя теорія міцності використовується для розрахунку конструкції, виготовлених із пластичних матеріалів, що однаково працюють на розтяг і стиск (сталі вуглецеві звичайної якості, високоякісні вуглецеві сталі, деякі леговані сталі).
 Осьові напруження визначимо за формулою
       ,      (5.7)
 де Q - осьове навантаження, Н;
Fт – площа поперечного перерізу ствола, м2.
Осьове навантаження Q визначимо за формулою
     Q = рмакс . Fк ,     (5.8)
де Fк площа кільцевого перерізу між стволом і обсадною трубою.
 Площу кільцевого перерізу визначимо за формулою   
       ,     (5.9)
    Fк = (0,22052-0,1142) = 0,02798 м2,
    Q = 65 . 106 . 0,02798 = 1818,7 кН.
Площу поперечного перерізу ствола (труби діаметром dт = 114 мм з товщиною стінки s = 10 мм) обчислимо за формулою
      Fт = πs(dт – s),     (5.10)

Fт = π . 0,01(0,114 – 0,01) = 3,26 . 10-3 м2,


Радіальні напруження визначимо за формулою Ляме [5]
     
де r1, r2 – внутрішній і зовнішній радіуси ствола, мм;
r1 = 47 мм; r2 = 57 мм.
    
Отже, еквівалентні напруження
     = 557,9 – (-65) = 622,9 МПа

Вибираємо групу міцності сталі, з якої виготовлений ствол – “р”. Границя
текучості матеріалу ствола (сталь 20ХГ2Б ГОСТ 631-75) σт = 980 МПа [6].
 Перевіряємо умову (5.5)
     <
 Обчислимо фактичний коефіцієнт запасу міцності по границі текучості
    nф=
 Ствол виготовлений зі сталі 20ХГ2Б ГОСТ 631-75 забезпечить надійну роботу герметизатора при максимальному тиску гідравлічного випробування 65 Мпа.

5.3 Розрахунок на міцність гайки фіксації
самоущільнювальної манжети

  Само ущільнювальна манжета закріпляється на стволі двома гайками з нарізаною метричною різьбою М114х2. Згідно [7] верхня гайка сприймає навантаження від тиску гідравлічного випробування, а нижня є фіксуючою. Метою даного розрахунку є визначення висоти гайок кріплення манжети.
 Наведемо початкові дані до розрахунку є визначення висоти гайок кріплення манжети.
 Наведемо початкові дані до розрахунку:
- матеріал гайки сталь 20ХГ2Б ГОСТ 631-75
- границя текучості матеріалу гайки σт, МПа   980
- коефіцієнт запасу міцності n     1,5
- діаметр різьби d, мм       114
- крок різьби s, мм        2
- осьова сила, що діє на з’єднання Q, кН   1818,7
Активна висота гайки Нт, визначається за формулою [7]
          (5.12)
де Q – осьова сила, що діє на верхню гайку, Н;
dвн – внутрішній діаметр різьби, м;
[τзр] – допустиме напруження зрізку, Па.
Внутрішній діаметр різьби dвн визначаємо за формулою
    dвн = d(1-1,05 ),     (5.13)
   dвн = 114.(1-1,05 ) = 111,9 мм.
Допустиме напруження зрізу визначаємо за формулою
     ,      (5.14)
де τт напруження зрізу при якому матеріал досягає границі текучості, за
третьою теорією міцності
    τт = 0,5 . σт,      (5.15)
   τт = 0,5 . 980 = 490 МПа.
   
   
Додавши до активної висоти гайки дві фаски по 2 мм, та додавши 4 мм
неробочих витків, заокруглюємо до більшого цілого значення
    Н .
 Приймаємо 25 мм – висота гайки. Нижню гайку доцільно взяти також довжиною 25 мм. Це обумовлено підвищенням уніфікації, взаємозамінності і спрощеням конструкції. Перевірочний розрахунок виконано на ЕОМ (дивіться додаток А).

5.4 Дослідження роботи самоущільнювальної манжети

 5.1.1 Визначення напружень та деформацій, що виникають в манжеті
Самоущільнювальна манжета є основним елементом в герметизаторі. Надійність її роботи визначає надійність роботи герметизатора в цілому. Манжета може знаходитись в трьох станах:
- вільний;
- з натягом в кожусі;
- з натягом в обсадній трубі.
Два останні стани манжети потребують досліджень. Одним з методів
наукових досліджень, є моделювання за допомогою ЕОМ в програмному середовищі SOLID WORK i COSMOS WORK. Дана програма моделює складний напружений стан твердого тіла методом кінцевих елементів. Тверде тіло заданої просторової геометричної форми із заданими характеристиками матеріалу розбивається на велике скінчене число елементів, задаються граничні умови і прикладаються навантаження. Далі розглядаються напруження і деформації в кожному з елементів і взаємодія між ними. Результатом дослідження є графічне зображення просторового тіла, що в кольоровому спектрі зображує його складний напружений і здеформований стан.
 Самоущільнювальна манжета являє обою складне циліндричне тіло (рисунок 5.30 виготовлене з гуми технічної ПМБ – П ГОСТ 19198 – 73. Характеристики матеріалу наведені в таблиці 5.3.
 Розглянемо перший випадок – манжета знаходиться в кожусі. Кожух являє собою циліндричне тонкостінне тіло (рисунок 5.4), в якому манжета знаходиться з натягом в напруженому і здеформованому стані (рисунок 5.5). Просторова епюра напружень, що виникають в манжеті зображена на рисунку 5.6. просторова епюра деформацій зображена на рисунку 5.7. згідно даних епюр максимальні напруження виникають в пелюстці манжети, і дорівнюють
     σmax = 134 кПа < σд = 9,2 МПа
Таблиця 5.3
Механічні характеристики гуми [3]
Назва характеристики Значення
1 Модуль пружності Е, МПа 6
2 Модуль зсуву G, МПа 2
3 Коефіцієнт Пуасона μ 0,49
4 Твердість по ТМ - 2 64
5 Допустиме напруження σд, МПа 9,2

 Розглянемо другий випадок – манжета знаходиться в обсадній трубі. Оскільки обсадна труба умовним діаметром 245 мм має декілька товщин стінки (таблиця 5.1), проведемо аналіз кожного випадку посадки манжети в трубі.
 На рисунку 5.8 і 5.9 зображені просторові епюри напружень і деформацій, що виникають в манжеті при посадці в обсадну трубу умовним діаметром 245 мм з товщиною стінки 13,8 мм. Як бачимо максимальний натяг N = 8,1 мм і напруження σ = 64 кПа. Аналогічні дії проведемо для решти посадок з іншими товщина ми стінок і результати занесемо в таблицю 5.4.




 Таблиця 5.4
Результати аналізу посадки манжети в обсадній трубі
Товщина стінки S, мм Натяг N, мм Напруження в зоні контакту σ, кПа
8,9 - -
10,0 0,5 4,0
11,1 2,7 21,0
12,0 4,5 35,5
13,8 8,1 64,0

 За вищенаведеною таблицею будуємо графік залежності максимальних напружень, що виникають в зоні контакту манжети з внутрішньою стінкою обсадної труби, від товщини стінки обсадної труби (рисунок 5.10).
Після обробки отриманих табличних і графічних результатів бачимо, що залежність напружень від товщини стінки є лінійною (рисунок 5.11).
В процесі роботи само ущільнювальна манжета сприймає перепад тиску в 50 МПа. Змоделювавши цей стан отримуємо просторову епюру напружень, що виникають в манжеті (рисунок 5.12).
Як бачимо, манжета витримає даний перепад тиску і забезпечить надійність роботи герметизатора в цілому. Необхідно зазначити, що результати отримані в ході проведених досліджень є частковими і наближено описують тільки конкретний випадок.

5.4.2 Розрахунок ваги секції труб необхідних для розчохлення манжети

Самоущільнювальна манжета розчохляється під дією ваги секції бурильних труб, що підвішується до нижньої перевідної муфти герметизатора. Необхідно визначити масу і, відповідно, кількість труб, що під’єднуються.
Повинна виконуватись умова
     GC ≥ R . f,     (5.16)
де GC – вага секції бурильних труб, Н;
R – сила натягу манжети в кожусі, Н;
F – коефіцієнт тертя гуми по сталі, f = 0,1. [3]
Сила натягу визначається за формулою
    R = π . H . D . q,      (5.17)
де H – висота контакту, Н = 0,077 м;
D – внутрішній діаметр кожуха, D = 0,208 м;
q - контактні напруження, q = 134 кПа.
   R = π . 0.077 . 0.208 . 1.34 . 105 = 6.7 кН.
Вага секції бурильних труб визначається за формулою
     GC = l . m0 . g,    (5.18)
де l – довжина секції бурильних труб, м;
m0 - маса 1 метра бурильних труб, m0 = 30,3 кг (для труб умовним діаметром 127 мм з товщиною стінки 9 мм); [4]
g – прискорення земного тяжіння, g = 9,81 м/с2.
Виконавши необхідні перетворення отримаємо остаточну умову розчохлення манжети
   
   


 Оскільки бурильні труби мають стандартну довжину 12 м [4], то вибираємо l = 12 м. як бачимо, одна бурильна труба під’єднана до нижньої перевідної муфти забезпечить розчохлення самоущільнювальної манжети.