Приложение Е (обязательное). Донные системы подвесок и переходные системы

Приложение Е
(обязательное)

Донные системы подвесок и переходные системы

Е.1 Общие положения

Донное подвесное оборудование используется для удерживания веса обсадной колонны на уровне дна моря или вблизи него с целью обеспечения управления давлением, а также надлежащего соединения между каналом кольцевого пространства и поверхностным устьевым оборудованием. Донное подвесное оборудование используется при бурении с применением погружной буровой установки или платформы, опирающихся на дно, а также для бурения, консервации, заканчивания скважин с платформы и заканчивания скважин с подводным расположением устьев. При проведении буровых/ремонтных работ (операций) ВОР размещается на поверхности. В донной системе подвески кольцевые пространства между обсадными колоннами не герметизированы; вследствие чего перед монтажом устьевой трубной обвязки и подводной устьевой елки необходимо устанавливать донное переходное оборудование (рисунок Е.2).

Переходники хвостовиков, донное переходное оборудование и устьевые трубные головки используют для обеспечения подготовки к размещению трубодержателя НКТ и профиля, на которых возможно обеспечить закрепление и герметизацию подводной устьевой елки.

Основными элементами оборудования, используемого с донным оборудованием, являются:

- посадочное и подъемное кольца;

- устьевые трубодержатели обсадных колонн;

- спуско-подъемный инструмент трубодержателя обсадных колонн и переходники хвостовиков;

- консервационные колпаки;

- донное переходное оборудование;

- донная переходная устьевая трубная головка.

На рисунке Е.1 показаны элементы оборудования, используемого в донном подвесном и переходном оборудовании.

Е.2 Расчет значений номинального давления для донного подвесного оборудования

Е.2.1 Введение

Целью настоящего приложения является определение методов, которые применяют для расчета номинальных значений рабочего давления и давления испытаний для донного оборудования и соответствуют принятой инженерной практике. Данные методы и допустимые напряжения неприменимы к любому другому типу оборудования вследствие уникальности конструкции донного оборудования, представляющего собой комбинацию трубной продукции и удерживающего оборудования. Усталостный анализ, оценка теплового расширения и допустимые значения локальных напряжений смятия не являются объектом данных расчетов номинальных значений рабочего давления.

В качестве альтернативы методу, приведенному в данном приложении, при проектировании можно использовать нормы проектирования ASME BPVC, раздел IX (приложение 4) [13], приведенные в соответствии с ИСО 10423. В этом случае изгибающие напряжения при неоднородности сечения стенки могут быть рассмотрены как дополнительные напряжения. Однако при использовании данного альтернативного метода расчет номинальных значений рабочего давления должен быть выполнен в комбинации с нагрузками, приложенными при номинальной грузоподъемности при спуско-подъеме (если применимо) и номинальной удерживающей грузоподъемностью, а также термическими нагрузками. Зоной ответственности проектировщика является обеспечение условий, при которых деформации от наиболее высоких допустимых напряжений не ухудшают функциональные характеристики компонента, в частности в местах уплотнений вследствие деформации.

1 - профиль трубодержателя НКТ; 2 - отвод канала кольцевого пространства; 3 - конструкционное опорное кольцо (опционально); 4 - райзер для заканчивания/ремонта скважины; 5 - профиль соединителя; 6 - переводник устьевого оголовка; 7 - постоянная донная направляющая плита; 8 - устьевые трубные головки; 9 - кольцевой уплотнительный узел; 10 - надставочный переводник; 11 - обсадная колонна; 12 - надставочный инструмент (надставочный переводник); 13 - обсадной райзер (к самоподъемной платформе); 14 - спуско-подъемный инструмент трубодержателя обсадной колонны (посадочные переводники) или надставочный инструмент (надставочные переводники); 15 - консервационный колпак; 16 - кондукторная обсадная колонна (кондуктор) 762 мм (30 дюймов); 17 - дно моря; 18 - трубодержатель обсадной колонны 508 мм (20 дюймов); 19 - посадочное кольцо 762 мм (30 дюймов); 20 - устьевой трубодержатель обсадных колонн 340 мм (13 3/8 дюйма); 21 - устьевой трубодержатель обсадных колонн 245 мм (9 5/8 дюйма)

Рисунок Е.1 - Донное подвесное и переходное оборудование

а) донное переходное оборудование (установленное)	b) подводная устьевая елка на донном переходном оборудовании

1 - профиль трубодержателя НКТ; 2 - отвод канала кольцевого пространства; 3 - конструкционное опорное кольцо (опционально); 4 - надбавочный переводник обсадной колонны; 5 - профиль соединителя; 6 - устьевая трубная головка; 7 - кондукторная обсадная колонна (кондуктор) 762 мм (30 дюймов); 8 - дно моря; 9 - донный трубодержатель обсадной колонны 508 мм (20 дюймов); 10 - донное посадочное кольцо 762 мм (30 дюймов); 11 - донный трубодержатель обсадной колонны 340 мм (13 3/8 дюйма); 12 - донный трубодержатель обсадной колонны 245 мм (9 5/8 дюйма); 13 - заглушка устьевой елки; 14 - эксплуатационный отвод; 15 - задвижки канала кольцевого пространства; 16 - боковая задвижка; 17 - коронная задвижка; 18 - коренная задвижка; 19 - донное переходное оборудование

Рисунок Е.2 - Донное переходное оборудование

Е.2.2 Определение прикладываемых нагрузок

В каждом компоненте, который должен быть рассчитан, необходимо рассмотреть области с наиболее высокими напряжениями, при наиболее неблагоприятных комбинациях внутреннего давления и конечной нагрузки от давления. При выполнении такой оценки допустимо не учитывать изгибающие и осевые нагрузки, не связанные с давлениями концевых пробок и концевыми резьбовыми соединениями, необходимыми для приложения конечной нагрузки от давления. В частности, не следует учитывать осевые или изгибающие нагрузки, создаваемые соединением компонента с другими элементами оборудования.

При выявлении областей компонента с наиболее высокими напряжениями особое внимание необходимо уделять рассмотрению нагрузок, действующих через резьбовые соединения обсадных труб, выполненные на рассматриваемом компоненте. Наличие резьбы, нарезанной в стенке компонента, и конечной нагрузки от давления, приложенной к основному корпусу компонента через эти резьбы, приводит к местным изгибающим напряжениям, которые должны быть учтены. Общая форма основного корпуса компонента также может приводить к изгибающему напряжению в сечении, особенно если добавляется конечная нагрузка от давления. Такое влияние формы также должно быть учтено при определении нагрузок на компонент.

Е.2.3 Определение напряжений

После определения областей наиболее высоких напряжений для каждого отдельного компонента и условий нагружения, распределение напряжений через критические сечения должны быть линеаризованы для определения мембранного напряжения, S_m, локального изгибающего напряжения, S_b, и пикового напряжения, F, в сечении; см. рисунок Е.3 (см. ИСО 13625). Линеаризация должна быть выполнена для каждого компонента напряжения. Отдельные линеаризованные компоненты должны затем использоваться в расчете эквивалентного напряжения в поперечном сечении по фон Мизесу. Эквивалентное напряжение по фон Мизесу или напряжение по энергетической теории деформации S_e, должно быть рассчитано по уравнению (Е.1)

,

(Е.1)

где , , - нормальные напряжения компонента в точке;

, , - касательные напряжения компонента в точке;

индексы х, у и z относятся к общей системе координат.

Выполнение линеаризации возможно путем расчетов вручную, но, как правило, это выполняется с использованием компьютерной программы. В случае использования компьютерной программы или программы постобработки FEA необходима проверка правильности выполнения линеаризации напряжений данной программой. Необходимо выполнение проверки выходных компьютерных данных. Одним из наиболее простых методов контроля данных для программ постобработки FЕА является построение модели FЕА для простой балки с четырехточечным изгибом. Следует провести анализ этой модели на плоское напряженное состояние и предусмотреть не менее пяти элементов по высоте сечения балки. Линеаризация напряжений по фон Мизесу в центральном сечении такой балки не должна создавать мембранных напряжений по фон Мизесу.

Рассматриваемые значения напряжений по фон Мизесу в поперечном сечении компонента представляют собой линеаризованные мембранные напряжения (рабочего сечения) и линеаризованные локальные изгибающие напряжения, как показано на рисунке Е.3. Данные значения учитывают условия многоосевых напряжений в точке, поскольку они являются эквивалентными напряжениями по фон Мизесу.

Е.2.4 Допустимые уровни напряжений для рабочих условий и условий испытаний

Допустимые уровни напряжений для условий испытаний и рабочих условий основаны на процентном отношении суммы мембранного и изгибающего напряжений и только мембранного напряжения для предела текучести материала. В случае использования напряжений локальные мембранные и изгибающие напряжения, рассчитанные в Е.2.3, должны рассматриваться как первичные напряжения, поскольку они являются напряжениями, необходимыми для обеспечения статического равновесия сечения при приложенных давлении и концевых нагрузках.

Для определения допустимых уровней, используемых в данном случае, необходимо определить граничные ситуации пластической деформации полного поперечного сечения. Рассматривая простой случай прямоугольной балки и эластичный/идеально пластичный материал, можно построить график отношения суммы граничных мембранных и изгибающих напряжений к только мембранным напряжениям {см. ASME BPVC, раздел III [9] и ASME BPVC, раздел VIII [12]}. На рисунке Е.4 показаны граничные значения для различных комбинаций суммы мембранных и изгибающих напряжений и только мембранных напряжений, нормализованных при условии минимального указанного предела текучести материала S_Y. Отношение предельных напряжений только для мембраны равно 1,0, а только для изгиба - 1,5. Если мембранное напряжение, добавляемое к наибольшему изгибающему напряжению менее 2/3 S_Y, то отношение суммы мембранного и изгибающего напряжений может превысить 1,5. Это происходит в результате влияния жесткости мембранного напряжения и смещения нейтральной оси балки. Это повышает несущую способность на изгиб при условии пренебрежения приложенной осевой нагрузкой.

1 - максимальное локальное напряжение, F; 2 - локальное изгибающее напряжение, S_b; 3 - напряжение в рабочем сечении компонента, S_m; 4 - распределение суммарного напряжения; 5 - эквивалентное линейное распределение; 6 - напряжение; 7 - толщина; 8 - растягивающая нагрузка; 9 - локальный момент изгиба; 10 - вертикальная плоскость через асимметричную часть

Рисунок Е.3 - Распределение нагрузки, асимметричное поперечное сечение, донные подвесные компоненты

1 - предельное напряжение; 2 - предельное давление испытаний; 3 - номинальное рабочее давление для подвесного оборудования; 4 - номинальное рабочее давление для переходного оборудования; S_m - мембранное напряжение; S_b - изгибающее напряжение; S_y - предел текучести

Рисунок Е.4 - Предельные значения напряжений донных подвесных компонентов

Е.2.5 Давление испытаний

В настоящем стандарте допустимыми значениями напряжений по фон Мизесу для условий гидростатических испытаний как для подвесного оборудования, так и для переходного оборудования являются: мембранное напряжение, S_m, приведенное в неравенстве (Е.2), и сумма мембранного и изгибающего напряжений, S_m + S_b, приведенная в неравенстве (Е.3) для S_m < 0,67S_y и, как приведено в неравенстве (Е.4), 1,2S_m для 0,67S_y < S_m < 0,90S_y:

,

(Е.2)

,

(Е.3)

.

(Е.4)

Допустимое значение давления испытаний должно обеспечить возникновение допустимых напряжений в критическом сечении компонента при условии учета давления и концевых нагрузок от испытательных концевых заглушек или пробок. Вышеприведенные ограничения, наглядно показанные на рисунке Е.4, аналогичны приведенным в ASME BPVC, раздел VIII (часть AD) [12] для условий гидростатических испытаний.

Е.2.6 Номинальное рабочее давление

Е.2.6.1 Донное подвесное оборудование

В настоящем стандарте допустимыми значениями напряжений по фон Мизесу для рабочих условий донного подвесного оборудования являются: мембранное напряжение, S_m, приведенное в неравенстве (Е.5) и сумма мембранного и изгибающего напряжений, S_m + S_b, приведенная в неравенстве (Е.6) для S_m < 0,67 S_y и, как приведено в неравенстве (Е.7), 1,2S_m для 0,67S_y < S_m < 0,80S_y:

,

(Е.5)

,

(Е.6)

.

(Е.7)

Для обеспечения возникновения данных напряжений в критическом сечении рассматриваемого компонента необходимо соответствующее номинальное рабочее давление. Данные ограничения составляют примерно 90 % от условий испытаний.

Е.2.6.2 Донное переходное оборудование

В настоящем стандарте допустимыми значениями напряжений по фон Мизесу для рабочих условий донного подвесного оборудования являются: мембранное напряжение, S_m, приведенное в неравенстве (Е.8), и сумма мембранного и изгибающего напряжений, S_m + S_b, приведенная в неравенстве (Е.9):

,

(Е.8)

.

(Е.9)

Для обеспечения возникновения данных напряжений в критическом сечении рассматриваемого компонента необходимо соответствующее номинальное рабочее давление. Данные ограничения составляют примерно 75 % от условий испытания. Эти условия совпадают с обычными предельными расчетными напряжениями, приведенными в [12]. Требования, предъявляемые к значениям предельного мембранного напряжения для эксплуатационных условий переходного оборудования, менее жесткие, чем к подвесному оборудованию. Это является следствием использования подвесного оборудования при эксплуатации в качестве части обсадной колонны. Компоненты обсадной колонны, как правило, имеют более высокие пределы допустимых напряжений, чем оборудование для заканчивания скважин или эксплуатационное оборудование.