CHƯƠNG 7 KIỂM TOÁN DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ KHOAN
7.3. Kiểm toán bền cột cần khoan
Trong quá trình làm việc cũng như quá trình kéo thả, cần khoan chịu tác dụng của cả tải trọng động và tải trọng tĩnh. Các tải trọng này làm cho cần khoan mất ổn định và gây ra sự cố. Để tránh được điều này ta tiến hành kiểm tra độ bền của bộ phận cần khoan trong quá trình mở vỉa sản phẩm ứng với chiều sâu lớn nhất. Tính toán ứng suất tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm. Ứng suất này không được phép vượt quá ứng suất cho phép của cột cần.
Trong khoan rotor ta tiến hành kiểm toán cột cần tại hai tiết diện nguy hiểm trong trường hợp có sử dụng cần nặng, tại ba tiết diện trong trường hợp không sử dụng cần nặng. Trong đó giếng khoan 132 – BK15 này ta kiểm nghiệm tại hai vị trí tiết diện nguy hiểm đó là (1-1) và (2-2), các bước tiến hành kiểm nghiệm ta tiến hành như sau:
1 1
2 2 1
2
3
Hình 7.1. Vị trí mặt cắt kiểm toán trên bộ cần khoan có cần nặng 1-1: Mặt cắt 1-1
2-2: Mặt cắt 2-2
1: Cần khoan. 2: Cần nặng. 3: Choòng.
Tính toán cần nặng
Trong quá trình khoan, cột cần khoan phải chịu các tải trọng bao gồm:
Kéo, nén, uốn và xoắn. Trong đó tồn tại hai tiết diện nguy hiểm nhất đó là phần trên của cột cần và phần dưới cột cần.
Trong quá trình khoan và thả ống chống, vì ống chống cuối cùng có đường kính 178 nên ta dùng cần 127 để khoan lỗ khoan và thả ống chống có
đường kính 178 nên khi kiểm toán quá trình thả ống chống ta kiểm toán cần khoan 127.
Dcn= 0,75.165,1= 123,825 (mm).
Chọn : + Đường kính cần nặng: Dcn = 120,65mm.
+ Đường kính trong của cần nặng: dcn = 32mm.
+ Trọng lượng 1m cần nặng: qcn = 67kG/m.
Những cần nặng này có đủ độ cứng khi khoan để thả ống chống khai thác Φ140mm.
Theo công thức:
4
4
4
1 ( 2. )
1 ( )
oc oc
cn oc
oc cn
cn
D
D D
D d
D δ
− −
= −
(7.16) Thay số liệu vào công thức trên ta được:
4
4
4
1 ( 2. )
120,65 0,678 0,612
178 1 ( )
oc oc
oc cn cn
D D d D
δ
− −
= > =
−
Như vậy đường kính cần khoan 127 đảm bảo bền khi thả ống chống.
Trong khoảng khoan cuối dùng cần 127 ta có :
* Chiều dài cần nặng được xác định theo công thức:
Lcn =
dd
.
.(1 )
c
cn
t
C Q
q γ
− γ
(7.17) Trong đó:
Lcn : Chiều dài cần nặng.
C = 1,25: Hệ số tính đến việc tăng chiều dài cần nặng lên tải trọng đáy.
Qc = 7tấn = 7000kG: Tải trọng đáy.
qcn = 32kG/m: Trọng lượng 1m cần nặng.
γdd= 1,05G/cm3: Trọng lượng riêng của dung dịch.
γt= 7,85G/cm3: Trọng lượng riêng của thép làm cần.
Thay vào công thức (7.15) được:
Lcn =
1,25.7000 32.(1 1,05)
−7,85
=
278,2 (m).
Chọn Lcn gồm 23 cần nặng đơn khi đó:
Lcn = 23.9,4 = 216,2 (m).
Tổng trọng lượng của bộ cần nặng:
Qcn = Lcn.qcn = 216,2. 32 kG = 6,9 (tấn).
Trọng lượng của bộ khoan cụ trong dung dịch:
Qbkc = (qcn.Lcn+G+Qdt+Qbtl).(1-
dd t
γ
γ ). (7.18)
Trong đó:
Qbtl = 309kG = 0,309tấn: Trọng lượng của búa thủy lực.
G = 9kG = 0,009tấn: Trọng lượng của choòng.
Qdt = 71kG = 0,071tấn: Trọng lượng định tâm.
Thay vào công thức (7.16) được:
Qbkc= 5993 kg = 5,993(tấn).
Tổng chiều dài bộ khoan cụ:
Lbkc=Lcn+Lc+Ldt (7.19) Trong đó:
Lc: Chiều dài choòng, Lc = 0,2m.
Ldt: Chiều dài định tâm, Ldt = 1,3m.
Thay vào công thức (7.17) được:
Lbkc = 216,2+0,2+1,3 = 217,7(m).
7.3.1. Kiểm toán độ bền tĩnh ở phần trên cột cần khoan (tại tiết diện 1-1) Tại tiết diện 1-1 cột cần khoan chịu các ứng suất uốn, ứng suất kéo và ứng suất xoắn.
Phần tiết diện 1-1 của cột cần khoan được gọi là đạt bền khi thoả mãn điều kiện:
4 ,
≥1
= σΣ
σc
K
(7.20) Trong đó:
K : Hệ số an toàn.
σcgiới hạn chảy của thép làm cần. Cần khoan 127 với mác thép S – 135 có giới hạn chảy σc= 105kG/mm2 = 10500kG/cm2.
σΣ: Ứng suất tương đương, ứng suất này được tính theo công thức:
2 2
4τ σ
σΣ = k + (7.21)
σk: Ứng suất kéo tại phần trên cột cần. Ứng suất này được tính theo công thức:
F Qk
k =
σ (7.22)
Qk: Trọng lượng cột cần khoan tác dụng lên móc nâng khi khoan. Qk
được tính theo công thức:
Qk = [Qđ+ (L – lcn).q - Gc].(1- γ
γd
) (7.23)
Ta có các thông số:
Qđ = 0,071T: Trọng lượng định tâm.
L = 3813m: Chiều dài của bộ khoan cụ và cần khoan.
Lcn = 216,2m: Chiều dài của bộ cần nặng.
q = 12,6kG/m = 0,0126T/m: Trọng lượng của 1m cần khoan.
γd = 1,1T/m3: Trọng lượng riêng của dung dịch.
γ = 7,85T/m3: Trọng lượng riêng của thép làm cần.
Gc: Tải trọng đáy. Gc = 7T.
Thay các thông số trên vào công thức (7.23) ta tính được:
Qk= 41,75(Tấn)
F: Tiết diện mặt cắt 1-1 của cần khoan F = 4
π
.(D2-d2) (7.24)
Trong đó:
D: Đường kính ngoài của cần khoan, D = 127mm = 12,7cm.
d: Đường kính trong của cần khoan, d = 107mm = 10,7cm.
Thay vào công thức (7.242) được: F = 36,76(cm2) Thay các giá trị Qk và F vào công thức (7.20) ta được:
2 2
k
41,75
1,14T / cm 1140(kG / cm ) 36,76
σ = = =
τ: Ứng suất xoắn tác dụng lên phần trên của cột cần khoan. τ được tính theo công thức:
x x
w
= M τ
(7.25) wx: Mô men chống xoắn của cần khoan.
wx = D d D4 4 16.
− Π
=
4 4
12,7 10,7 16. 6
Π −
= 422,4(cm3) Mx: Mô men xoắn. Mx được tính theo công thức:
Mx = n N Nkt + c .
71620
(7.26) n: Tốc độ quay của động cơ. n = 60 v/p
Nkt: Công suất để quay cột cần không tải
Nkt = c.γd.Dc2.n1,7.L (7.27) c: Hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng, α =17,9º chọn c = 50.10-5. γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. γd = 1,04 T/m3
Dc: Đường kính choòng khoan. Dc = 0,2159m L: Chiều dài cột cần. L = 3813m
Thay các thông số vào công thức (7.27) ta được:
Nkt = 50.10-5.1,05.0,21592. 601,7.3813 = 98,35(HP) Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng :
Nc = 34,2.10-4.K.Gc.Dc.n ( 7.28) K: Hệ số mòn của choòng. K = 0,1
Gc: Tải trọng đáy. Gc = 7000kG
Thay các thống số vào công thức (7.28) ta được:
Nc = 34,2.10-4.0,1.7000.0,2519.60 = 36,18 (HP) Vậy ta tính được mô men xoắn theo công thức (7.24):
Mx =
98, 35 36,18 71620.
60
+ =
160584 (kG.cm) Thay Mx và wx vào công thức (7.25) ta được:
160584 2
363(kG / cm ) 442, 4
τ = =
Thay các giá trị τ và σk vào công thức (7.21) ta có:
2 2 2
1140 4.363 1352(kG / cm )
σΣ = + =
Thay các giá trị σΣ và σc vào công thức (7.20) ta được:
10500
K 7, 7 1, 4
= 1352 = >
Vậy phần trên của cột cần khoan đạt bền.
7.3.2. Kiểm toán độ bền ở phần dưới cột cần khoan (tại mặt cắt 2-2
Trong quá trình làm việc của cần khoan, phần dưới chịu ứng suất nén,
ứng suất uốn, ứng suất xoắn. Trong khoan dầu khí thường sử dụng cần nặng, tải trọng đáy được lấy một phần từ trọng lượng bộ khoan cụ. Do đó mà có thể bỏ qua ứng suất nén khi tính bền cho phần dưới cột cần.
- Ứng suất uốn tác dụng lên phần dưới cột cần khoan được tính theo công thức:
u
u l w
J f
. . . 2000 2 σ =
(7.29) Trong đó:
F: Độ vừng cung uốn. f được tớnh theo cụng thức:
2 . 1 ,
1 D D
f = lk −
Dlk: Đường kính lỗ khoan. Dlk = M.Dc = 1,05. 165,1 = 173,355mm D: Đường kính ngoài của cần khoan. D = 127mm
Vậy:
1,1.173,355 127
f 31,85(mm) 3,185(cm)
2
= − = =
J: Mô men quán tính của tiết diện cần khoan. J được tính theo công thức:
) 64.(
4
4 d
D J = Π −
Thay D = 12,7cm và d = 10,7cm vào công thức trên ta được:
4 4 4
J .(12,7 10,7 ) 633,6(cm ) 64
= Π − =
l: Độ dài của nửa cung uốn. Độ dài này được tính theo công thức:
4 *
2 2 0,2. . .
25 , 0 .
5 , 0 10.
q Z J
Z
l ω
ω + +
= (7.30)
Trong đó:
Z: Khoảng chịu nén trong đoạn cần, tính từ điểm đang kiểm toán đến mặt cắt trung hòa, vì sử dụng cần nặng nên có thể coi cần khoan không bị nén z = 0.
ω: Vận tốc góc.
2. .n 2. ..60
6, 283(rad / s)
60 60
Π Π
ω= = =
q* : Trọng lượng 1cm cần khoan. q* = 0,126kG/cm Thay các thông số tìm được vào công thức (7.30) ta được:
2
10 4 0, 2.633, 6.6, 283
l . 17,8(cm)
6, 283 12, 7.32
= =
wu : Mômen chống uốn. wu được xác định theo công thức:
4 4 4 2
3 u
.(D d ) .(12, 7 10, 7 )
w 99, 77(cm )
32.D 32.12, 7
Π − Π −
= = =
Thay các giá trị f, J, l và wu vào công thức tính toán ứng suất uốn tại phần dưới của cần khoan (7.29) ta được:
2
u 2
3,586.633, 6
2000. 127, 68(kG / cm )
17,8 .99, 77
σ = =
- Ứng suất xoắn tác dụng lên phần dưới của cột cần khoan. τ được tính theo công thức (7.25).
Với:
wx = 199,5 cm3
Mx: Mô men xoắn. Mx được tính theo công thức(7.26) n : Tốc độ quay của động cơ. n = 60 v/p
Nkt : Công suất để quay cột cần không tải tính từ tiết diện tính toán đến choòng khoan tính theo (7.27).
Trong đó : c = 46,6.10-5 γd = 1,05T/m3 Dc = 0,1651 m
L: Chiều dài cần khoan từ choòng đến tiết diện tính toán. L = 356,47m Thay các thông số vào công thức trên ta được:
Nkt =46,6.10-5.1,05..0,16512.601,7.356,47 = 5,01(HP)
Công suất tiêu thụ ở choòng đã tính được ở phần trước: Nc = 149,07(HP) Vậy ta tính được mô men xoắn theo công thức (7.26):
Mx =
5, 01 149, 07 71620.
60
+ =
183920(kG.cm) Thay Mx và wx vào công thức (7.25) ta được:
183920 921, 9(kG / cm )2
199, 5
τ = =
- Ứng suất tương đương tác dụng lên phần dưới cần khoan được tính theo công thức:
2 2
4τ σ σΣ = u +
Thay các thông số σu và τ vào ta được:
2 2 2
127,68 4.921,9 1848, 22(kG / cm )
σΣ = + =
- Hệ số an toàn trong phần này là:
c 10500
K 5, 68 1, 4
1848, 22
Σ
σ
=σ = = >
Vậy phần dưới của cần khoan đảm bảo bền trong quá trình thi công giếng khoan. Kiểm toán tương tự cho các khoảng khác đảm bảo bền.