ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БУРОВЫХ КОЛОНН

Петтик Ю.В., Царенко С.Н. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина)
ОПУБЛИКОВАНО: Современные металлорежущие системы машиностроения/ Материалы 4-й Всеукраинской студенческой конференции. Выпуск 5-й - Донецк: ДонГТУ, 2002. С. 100-107.

При разрушении горных пород во время бурения шахтных стволов и скважин большого диаметра роторными установками западногерманской фирмы "WIRTH", имеют место всевозможные осложнения и аварии.

Скорость проходки скважин и режимы разрушения горных пород зависят от многих параметров, горно-геологического плана: таких как глубина бурения, отклонение оси от вертикальности, величина зазора между буром и скважиной; технологических: крутящий момент на роторе, усилие на забое; конструктивных: геометрические параметры бура, число шарошек и т.д.

Буровые установки, являясь весьма сложной системой, испытывают значительные нагрузки от вышеперечисленных факторов, учесть которые одновременно весьма сложно. Поиск оптимальных режимов бурения связывает экономические, конструктивные и технологические параметры в одну систему и является весьма сложной задачей.

При внезапных буровых осложнениях, таких как перекос долота при обрушении стенок ствола, образовании каверн, отрыве шарошкодержателя с шарошкой, или шарошки напряженно-деформированное состояние системы превышает допустимые значения, что приводит к авариям: поломке шарошечного инструмента, обрыву бурового агрегата, разрыву соединительных болтов на фланца буровых труб, разрушению труб и т.д.

В отдельных случаях время ликвидации аварии достигает нескольких месяцев, что приводит к колоссальным затратам, срыву ввода ствола или скважины в эксплуатацию, снижению проектной производительности угледобывающих предприятий. Поэтому, изучение напряженно-деформированного состояния бурового става является актуальной и важной задачей.

Исходя из специфики работы бурового инструмента, возникают определенные сложности с определением напряженно-деформированного состояния всей буровой колонны. С другой стороны, зная зависимость напряженного состояния буровой колонны от внешних параметров и физико-механические свойств материала колонны можно определить оптимальные технологические параметры бурения.

При этом задача определения напряженно-деформированного состояния буровой колонны с учетом метода начальных параметров [1-3] решается в несколько этапов:

I этап. Составление расчетных схем. Составление и выбор прин-ципиальных схем положения бурового агрегата и буровых труб и выбор внешних сил и моментов с учетом как геометрии ствола так и бурового става.

При этом на основании практики бурения задаемся исходными данными:

- отклонение первого фланца от вертикальной оси ствола в горизонтальной плоскости, определяется исходя из допустимого отклонения оси ствола, а так же из возможности перекоса оси бура в стволе;

- угол перекоса бура в стволе, возникающий вследствие разбивки ствола, образования каверн, а так же возможных поломок бурового инструмента.

Проанализируем возможные варианты положения бура в стволе.

Рисунок 1 - положение бура

На рис. 1 показаны схемы, когда имеется и , при этом для первой схемы а) ось ствола строго вертикальна, для второй схемы б) ось ствола отклонена от вертикальной оси. Причем для случая б) наклон оси бура направлен в противоположную сторону от вертикальной оси (составляет максимально возможную величину).

На рис. 2 показаны схемы а) - когда имеется только , т.е. перекоса оси бура в стволе нет и схема б) имеется и , т.е. - ось ствола отклонена от вертикальной оси. Причем для схемы б) наклон оси бура направлен в туже сторону, что и отклонение вертикальной оси ствола (имеет минимальное значение).

II этап. Учет усилий. Все нагрузки действующие на бур переносим на первый фланец в виде растягивающего усилия N , продольной силы и изгибающего момента .

Рисунок 2 - положение бура в скважине

III этап. Составление уравнений изогнутой оси, углов поворота и моментов. Составляем уравнения изогнутой оси, углов поворота и момен-тов, рассматривая буровой став, как невесомую балку, испытывающую продольно?поперечный изгиб, переходящую в гибкую нить на длине , при этом массу бурового става приводим к первому фланцу, такое упро-щение допускаем за счет того, что , где q - погонная масса бурового става, а глубина бурения достигает 800 м.

Тогда уравнение изогнутой будет иметь вид

уравнение углов поворота оси

а уравнение моментов

где E - модуль упругости 1-го рода, для стали Па.;

I- осевой момент инерции, для трубы

коэффициент

N - продольная усилие, которое определяется, по зависимости

где Q - вес бурового става (Н); R - реакция со стороны забоя (Н.); q - погонный вес буровой колонны (Н/м.);

В данных уравнениях неизвестными величинами являются начальные параметры: поперечная сила и момент , которые определяем исходя из условия, что

Этап IV. Решаем уравнения, введя новую переменную , следующим образом:

Находим определители уравнения

Корни уравнения находятся, как:

Для определения величины проанализируем уравнение

При этом найдем : при значительных значениях аргумента, когда , тогда

Особенностью использования метода начальных параметров является то, что на основании вышеприведенного анализа величину нужно выбрать таким образом, чтобы дальнейшее ее приращение на величину , вызывало уменьшение момента на величину не более, чем наперед заданную величину (например 1%). Тогда уравнения примут вид:

- уравнение изогнутой оси

- уравнение угла поворота оси

- уравнение моментов

- уравнение поперечных сил

Таким образом, решая вышеперечисленные уравнения можно перейти к напряженному состоянию буровой колонны и найти итоговый параметр - величину изгибных напряжений в любом интересующем нас сечении на любом расстоянии от первого фланца.

Практическая реализация расчета напряженно-деформированного состояния буровой колонны методом начальных параметров представлена на языке программирования Object Pascal в интерактивной среде Delphi.

На рис.3 приведена главная панель программы с указанием исходных технологических параметров бурения. В зависимости от данных каротажных измерений (параметры профиля сечения и отклонения оси ствола на различных глубинах) выбирают вариант расположения долота на забое и вводят соответствующие параметры (рис.4).

Рисунок 3 - Общий вид буровой колоны

Рисунок 4 - Панель варианта расположения бура и исходных данных

Затем вводят данные: отклонение оси ствола, угол перекоса бура, а также геометрические параметры буровых труб, физико-механические характеристики материала. Форма результатов расчета представлена на рис. 5.

Рисунок 5 - Результаты расчета напряженно-деформированного состояния бурового става

При анализе результатов расчета можно ввести соответствующие коррективы по технологическим режимам: усилию на забой, крутящему моменту, которые обеспечили бы такие изгибные напряжения, которые не превышали бы наперед заданных значений и обеспечили бы устойчивую, безаварийную работу всей буровой установки в целом.

Список литературы: 1. Шевченко Ф.Л., Жеданов С.А. Сопротивление материалов. Специальный курс. Метод начальных параметров. - Киев: УМК ВО, 1992. - 184с. 2. Шевченко Ф.Л. Механика упругих деформируемых систем. Часть 1. Напряженно-деформируемое состояние стержней: Учебное пособие. - Киев: ИСИО, 1993, - 280с. 3. Шевченко Ф.Л. Задачи по механике упругих деформируемых систем, часть I. Сопротивление материалов: Учебное пособие. - Киев: ИСИО, 1996. - 230с.