УСТОЙЧИВОСТЬ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ БУРОВЫХ УСТАНОВОК РЕАКТИВНО-ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ

Ф.Л. Шевченко, Ю.В. Петтик
Донецкий национальный технический университет

Рассмотрены некоторые задачи по расчету устойчивости сжато-растянутых стержней с учетом собственного веса, основанные на использовании известных функций Бесселя дейст-вительного и мнимого аргумента, а также дано обоснование области применения новой ме-тодики приближенного инженерного расчета устойчивости бурильных колонн. Приведены примеры расчета устойчивости бурильных колонн буровых установок реактивно-турбинного бурения.

В условиях Донбасса при строительстве шахтных стволов и скважин большого диамет-ра широко применяют специальный способ их проходки способ бурения. При этом, в каче-стве бурового оборудования используют роторные буровые установки германской фирмы «WIRTH» и отечественные агрегаты реактивно-турбинного бурения (РТБ). В роторных уста-новках типа Л-35 фирмы «WIRTH» буровой инструмент – бур, опускается на забой при по-мощи бурильной колонны из бурильных труб с внутренним диметром 330 мм, собранных с помощью болтовых фланцевых соединений. Агрегаты РТБ опускаются с помощью буриль-ной колонны из бурильных труб диметром 168 мм, собранных с помощью нипельно-муфтовых замков

Повышенный интерес к этим установкам обусловлен не только прогрессивным спосо-бом проходки шахтных стволов и скважин большого диаметра, но и тем, что теоретического обоснования их напряженно-деформированного состояния буровых ставов буровых уста-новок этого типа практически нет, кроме работ [1 – 3].

Без учета напряжений в сечениях трубного става нельзя теоретически обосновать эф-фективные режимы работы этих агрегатов, как в технологических процессах, так и при аварийно-поисковых работах при ликвидации аварий.

Особые затруднения в расчете напряженно-деформированного состояния буровых ставов проявляются в вопросах динамики и устойчивости таких систем с распределенными параметрами. Здесь возникает необходимость разработки методики точного расчета напряженно-деформированного состояния бурильной колонны и возможности разработки и использования упрощенной методики инженерного расчета.

Целью данной работы является исследование устойчивости бурильной колонны буро-вых установок с агрегатами реактивно-турбинного бурения.

В представленной работе рассмотрены некоторые задачи по расчету устойчивости сжа-то-растянутых стержней с учетом собственного веса, а также задачи по обоснованию области применения новой методики приближенного инженерного расчета устойчивости бурильных колонн буровых установок с агрегатами РТБ.

Известно, что при наличии продольной сжимающей силы N и собственного веса интен-сивностью q с учетом поперечной силы P, деформированное состояние упругого длинного стержня определяется дифференциальным уравнением Бесселя относительно углов поворота сечений.

Наибольший интерес для исследования представляет случай сжато-растянутого стерж-ня с жестким защемлением в нижнем сечении и скользящей заделкой в верхнем, (рис. 3), что соответствует общему случаю состояния бурового става с усилием на талевую систему и реакцией со стороны опоры на нижнее сечение бурового става

Это соответствует различным случаям состояния бурильной колонны, таким как:

- спуск бурового става с задержкой и опиранием в каверне или на выступе стенки сква-жины;

- спуск бурового става и посадка на забой;

- прослабление талевой системы во время бурения.

Кроме этого, при ликвидации аварий и выполнении поисково-ловильных работ расчет-ная схема сжато-растянутого стержня будет иметь другие граничные условия, например:

- при поисковых работа пикобуром нижний конец бурильной колонны имеет шарнир-ное опирание, а верхний конец помещен в подвижную втулку, т.е. он может свободно пере-мещаться, в направлении перпендикулярном к оси колонны, но поворачиваться не может;

- при вводе ловильного приспособления в промывочное отверстие трубы или бура ниж-нее сечение бурильной колонны защемлено, а в верхнем сечении нужно принимать скользя-щую вдоль оси заделки;

- при захвате ловильным приспособлением оборванного элемента долота или колонны и подъеме с расхаживанием, нижний конец бурильной колонны принимают опертым шарнир-но, а верхний конец может свободно проворачиваться и т. д.

Выводы

1. Точное решение задачи об устойчивости сжато-растянуто стержня с распределенным весом, основанное на уравнении Бесселя, является громоздким как по выводу расчетных за-висимостей, так и в реализации числового расчета в конкретном случае при заданных гео-метрических и силовых параметрах бурового става. Такие расчеты усложняются при увели-чении растягивающего усилия из-за больших значений аргументов функций Бесселя, при этом существенно снижается точность расчета. В этом случае нужно переходить к асимпто-тическим функциям Бесселя.

2. В приближенном расчете при замене заданной системы с распределенными параметрами условной, невесомой, задача существенно упрощается, но при этом также проявляется снижение точности решения вследствие влияния больших значений аргументов в гиперболи-ческих функциях.

Литература

1. Улитин Г.М. Устойчивость колонны буровой установки роторного типа// Проблемы прочности. – 2002, №11. С. 130 135.
2. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В. Устойчивость бурильных колонн установок реактивно-турбинного бурения // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Гірничо-геологічна. Випуск 105. Донецьк; ДонНТУ, 2006. –С. 137-146.
3. Шевченко Ф.Л. Механика упругих деформируемых систем. Часть первая. Напряженно-деформированное состояние стержней. Изд. второе. – Донецк: ДонНТУ, 2006. – 293 с.
4. Шевченко Ф.Л. Механика упругих деформируемых систем. Часть вторая. Сложное сопротивление. Изд. второе. – Донецк: РВВ, 2007. – 306 с.