Представима расчетная модель для исследования напряженно-деформированного состояния трубы в зоне стыковки с днищем.
При бурении скважин большого диаметра как правило, грузоподъемность подъемной буровой установки выбирают по весу обсадкой колонии, которую предстоит опускать в скважину. Если вес колонны превышает грузоподъемность буровой установки, то применяют три специальных способа спуска колонны: на воздушной подушке, на плаву или секциями.
В последнее время наиболее распространен спуск колонн секциями, но он сопряжен со значительным увеличением времени креплении скважин, причем не исключаются случаи не плотной стыковки секции, что осложняет тампонаж н последующую эксплуатацию скважин. Спуск колонны на плану является наиболее простым и эффективным способом, но ограничен допустимым внешним давлением на колонну. Спуск колонн на воздушной подушке лишен недостатков предыдущих способов, но с шлам с усложнением технологии спуска и необходимостью применения специальных приспособлении.
Таким образом, актуальной задачей является определение наиболее рациональною способа спуска в зависимости от горно-геологических параметров скважины и конструктивных особенностей трубы. Для решения данной задачи необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние трубы в процессе спуска.
Исследование напряженно-деформированною состояния колонны при спуске па плаву можно разделить на три этапа:
1. Определение несущей способности трубы из условия прочности;
2. Исследование напряженно-деформированного состояния трубы в зоне состыковки с днищем, как наиболее напряженной зоны:
3. Обоснование конструктивных параметров стального днища.
Определение несущей способности колонны из условия ее прочности следует осуществлять последующей методике.
Конструктивно обсадная колонна представляет собой трубу диаметром d. сваренную из листов, и усиленную кольцевыми ребрами из швеллера или полосы с площадью поперечного сечения FM. Один край трубы заглушает днищем и спускают в скважину, наполненную промывочной жидкостью (рис.1). Основная часть трубы находится в состоянии, соответствующего осесимметричному сжатию. В качестве расчетной модели принимаем тонкостенный цилиндр, загруженный внешним давлением р и кольцевыми силами q, (рис. I).
Давление, соответствующее гидростатическому давлению промывочной жидкости, р – pgН, где р плотность промывочной жидкости.
Рис. 1 Расчетная схема спуска обсадной колонны на плаву
Принимая начало координат в точке приложения силы q, уравнение осесимметричной деформации оболочки возьмем в виде 1.
Общее решения уравнения 1, представим в виде суммы общего решения однородного уравнения и частного решения:
Постоянные С1, С2, С3, С4 и g определяют из граничных условий:
Решаем систему уравнений с учетом того, что для исследуемых труб величина шага менее 0,36 м находим постоянные:
Подставляя значения постоянных в уравнение получаем выражение для деформаций и усилий:
На графике 2 показано влияние шага на величину посередине пролета труб диаметром 4,3 м с различной толщиной стенки. В качестве расчетной модели при спуске обсадной колонны на плаву рис.3.
Рис .2 График изменения
Колонну будем сметать конструктивно анизотропной оболочкой, которая находится в осесимметричном напряженно-деформированном состоянии. При этом она при растяжении и изгибе в продольном и поперечном направлениях имеет одни и тот же модуль упругости. Толщину оболочки, которую будем считать приведенной, при растяжении и кольцевом и меридиональном направлениях будет вычисляться но формулам:
Подсчитав моменты инерции элементов сечения оболочки относительно центра тяжести можно найти приведенные толщины при изгибе:
Рис. 3 Расчетная модель обсадной колонны при ее спуске на плаву.
Так как для сплошной пластины без отверстия угол поворота нормали при р=0, не должен обращаться в бесконечность, то С4=0. Остальные постоянные определим из граничных условий сопряжений оболочки с днищем.
Оценка расчетного метода обсадных колонн на основе метода конечных ЭЛЕМЕНТОВ и степени влияния принятой модели на точность проведенных для некоторых случаев расчетов осуществлялась одним ИЗ наиболее распространенных и достаточно универсальных численных методов проведения анализа напряженно-деформированного состояния МКЭ.
Выводы;
1.жесткость шпангоутов оказывает влияние на несущую способность трубы лишь и пределах определенного участка, зависящего от толщины стенки. При величине шага шпангоутов превышающей длину этого участка наличие ребер жесткости не оказывает влияние на несущую способность трубы в целом;
2.после выбора параметров трубы из ребер следует делать проверку прочности в тоне их состыковки, что обусловлено концентрацией напряжений в этой зоне;
3.при использовании днища, для обеспечения прочности, участок трубы в зоне состыковки следует дополнительно усиливать стринтерами, при этом длина участка и параметры ребер должны выбираться в зависимости от конструкции днища.
4.проверка аналитического метода численным показал, что принятые допущения в моделях используемых аналитическом методе не оказывают значительное влияние не на характер поведения не на численные значения исследуемых функций.
Библиографический список:
1. Тимошенко С.П., Пластики и оболочки/ С.П. Тимошенко – Кригер (пере. в анг.), М.:Наука, 1966.-635 с.
2. Основы строительной механики ракет: Калашникова К.С.,:- М.:Высшая школа.1969, - 496 с.