Оборудование для добычи нефти и газа Том 1

Рис. 1.2.16. Схема сил, действующих на виток резьбы

страгивание резьбы, нашел Ф.И. Яковлев. Он рассмотрел взаимное дейст­ вие на резьбовое соединение осевой нагрузки Р и радиальных сил, возни­ кающих в резьбе за счет наклона граней резьбы и сил трения (рис. 1.2.16). Рассматривая нефтепромысловые трубы, Ф.И. Яковлев считал их тон­ костенными. У НКТ отношение их внутреннего диаметра к толщине стенки равно у основного тела трубы 10... 14, а у резьбы - 15...20. Та­ ким образом, участок трубы у резьбы можно рассматривать как тонко­ стенный (условная граница между тонко- и толстостенными трубами принимается обычно при упомянутом отношении, равном 18...20).

Учитывая, что осевое усилие становится страгивающей нагрузкой при достижении напряжения предела текучести, Ф.И. Яковлев получил следующее выражение:

(1.2.4)

где Dcp - средний диаметр тела трубы под резьбой в ее основной плоско­ сти, Dq)=DBM+e; DBM, в - внутренний диаметр трубы и толщина тела трубы под резьбой (см. рис. 1.2.10); ат - предел текучести для материала труб; / - длина резьбы (см. рис. 1.2.10); а - угол профиля резьбы; (р - угол трения.

П.П. Шумилов уточнил формулу Ф.И. Яковлева. Он ввел коэффици­ ент, учитывающий влияние основного тела трубы, более жесткого, чем ослабленная резьбовая часть:

r| = в / (5 + в), где S - номинальная толщина трубы. Тогда

(1.2.5)

l + r i ( ^ c p '2 / ) ctg(a + ф)

В НКТ a = 60° Угол трения для стальных труб рекомендуется при­ нимать равным примерно 9°

Расчет НКТ на прочность под действием давления среды (давления отбираемой жидкости, газа или смеси) без учета осевых сил ведется поизвестным зависимостям с определением эквивалентного напряжения по четвертой теории прочности. На практике обычно избыточное дав­ ление действует внутри труб. Коэффициент запаса принимают в этом случае равным 1,3.

Встречаются случаи, когда в опасном сечении трубы действуют внутреннее избыточное давление жидкости и осевые усилия. Тогда не­ достаточно проверить трубы только на страгивание резьбы. Необходи­ мо также проверить трубы на совместное действие давления и осевого усилия.

Вэтом случае определяют эквивалентное напряжение по четвертой теории прочности, а по нему и по напряжению текучести материала находят запас прочности.

Внекоторых случаях на НКТ действуют циклические нагрузки. При этом трубы проверяются на страгивающую нагрузку и усталость. Для этого определяют наибольшую и наименьшую нагрузки на трубы. Эти нагрузки позволяют найти наибольшее, наименьшее и среднее напря­

жения, а по ним - амплитуду напряжений симметричного цикла (ста). Зная предел выносливости материала труб при симметричном цикле

(a_j), можно определить запас прочности. Влияние циклических нагру­ зок на прочность материала и деталей рассматривалось в курсе сопро­ тивления материалов.

Запас прочности трубы определяется по формуле

где а_| - предел выносливости материала труб при симметричном цикле растяжения-сжатия; ка - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений, масштабный фактор и состояние поверхности детали; v|/a - коэффициент, учитывающий свойства материала и характер нагруже­ ния детали.

Рис. J.2.J7. Зависимость нагрузки, пе­ редаваемой колонной на забой, от па­ раметра зависания:

_________ 1- Ci.*,2 -;,,о_________

где ?|;о = 1/я[(е2а - l) (e2a + 1)].

Условие прочности для изогнутого участка колонны НКТ

где F0- площадь опасного сечения труб, м2; W0- осевой момент сопротив­ ления опасного сечения труб, м3; P Jca<- осевое усилие, действующее на изогнутый участок труб, МН; от -- предел текучести материала труб, МПа;

п- запас прочности, принимаемый равным 1,35.

1.2.6.ТРУБЫ ДЛЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ

Трубопроводы промысловых коммуникаций выполняются обычно из труб общего сортамента. Это трубы по ГОСТ 3262 (газопроводные) и I ОСТ 8732 (горячекатаные). Они поставляются, как правило, без резьб. Длина их доходит до 12 м. Сортамент этих труб по диаметру весьма разнообразен. По ГОСТ 3262 трубы поставляются по диаметру

условного прохода от 6 до 150 мм. Они делятся на легкие, средние и усиленные в зависимости от испытательного давления, которое не пре­ вышает 3,2 МПа. Трубы по ГОСТ 8732 поставляются по наружному диаметру от 25 до 450 мм с толщиной стенок у самых меньших от 2,5 до 8 мм и у самых больших от J6 до 20 мм. Марки стали, из которых изготовляются эти трубы, приведены в табл. J.2.18.

Промысловые трубопроводы проверяются на прочность и гидравли­ ческое сопротивление. При проверке прочности расчет ведется на до­ пускаемое давление. При расчете гидравлических сопротивлений необ­ ходимо учитывать, что большинство справочных таблиц составлено по условию перекачки воды, а в промысловой практике по трубопроводу перекачиваются вязкие жидкости и смеси.

Трубопроводы проектируются и изготовляются в соответствии с правилами, установленными Госгортехнадзором. Исключение состав­ ляют трубопроводы для пара, эксплуатируемые с абсолютным давлени­ ем до 0,2 МПа, для воды с температурой до J20 °С, временно устанав­ ливаемые трубопроводы со сроком действия до 1 года и некоторые дру­ гие. Трубы этих трубопроводов должны выдерживать давление испы­ тания, определенное по формуле

где S - толщина стенки трубы (за вычетом допуска); [ат] - допускаемое равное 40 % предела текучести; cihH- внутренний диаметр

трубы.

Проектируя трубопровод по действующим правилам Госгортехнад­ зора, необходимо установить, распространяются ли на данный трубо­ провод правила проектирования Госгортехнадзора и к какой категории относится трубопровод.

Допустимую прочность на разрыв нитки корда обычно принимают равной около 0,3...0,6 кН. Шаг нитей в ткани определяют по степени заполнения и их толщине. В среднем он равен 1,1... 1,2 мм. В связи с этим деформации, связанные с удлинением нитей корда, чрезвычайно,

затруднены.

Еще одним элементом, относящимся к основным, является опора пакера. Опора нужна для восприятия веса НКТ при деформации уплот­ няющих элементов первых типов и восприятии осевых усилий при уплотнениях всех видов (осевых усилий, возникающих от давления жид­ кости и газа на пакер при его работе). Эти силы могут достигать десят­ ков и сотен килоньютонов и действовать в различных направлениях.

Опора пакера может осуществляться с упором:

•на забой, через хвостовик;

•переход диаметра обсадной колонны;

•шлипсовый захват за обсадную колонну;

•на торец обсадной трубы в ее муфтовом соединении. Хвостовики, выполняемые из насосно-компрессорных или буриль­

ных труб, рекомендуется применять при плотном забое и ограниченном расстоянии между пакером и забоем (20...30, очень редко-До 100 м).

Наиболее часто применяется в пакерах шлипсовый захват. Шлипсо­ вый захват имеет конус 4 (см. рис. 1.3.1) и плашки 5 с насечкой, кото­ рые при осевом перемещении надвигаются на конус и, расходясь по диаметру, прижимаются к обсадной колонне. Врезаясь в обсадные тру­ бы, пакер может воспринимать осевые усилия. Плашки перемещаются по пазам, выполненным в конусе. Паз имеет форму типа “ласточкин хвост”, не позволяющую плашкам отходить от конуса. Материал пла­ шек - обычно сталь марки 20Х. Для повышения их твердости до 50.. .55 HRC плашки обычно цементируют и подвергают поверхностной закал­ ке. Сопряжение пакера с обсадной колонной может происходить не по поверхности, а в нескольких точках (в основном из-за разного диаметра сопрягающихся поверхностей плашки и трубы), поэтому плашки могут воспринимать изгибающие нагрузки, не ломаясь (сталь 20Х> сердцеви­ на некаленая).

Существует также конструкция шлилсового захвата с пружинами. Она состоит из трех шлипс 9, прижатых пружинами к конусу 8 (рис* 1.3.1). При спуске пакера или его подъеме шлипсы находятся у нижней части ко­ нуса и по диаметру свободно входят в обсадную колонну. В этом поло­ жении они удерживаются штифтом 2, закрепленным на штОке пакера, соединенным с НКТ. Штифт входит в паз втулки 3, к которой подсое­ динены шлипсы. Таким образом, шлипсы не сближаются с конусом, закрепленным также на штоке пакера. У места установки пакера НКТ и