Обгрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів

 

Для випадку, коли виконується умова (3), можна скористатися розрахунковою моделлю (рис. 5), де дія з боку ребра замінюється реакцією, яка є зосередженою силою Q прикладеною на відстані ρ від центру пластини. Таке допущення не значно впливає на значення деформацій і напружень в круговому перерізі  .

З використанням теорії несиметричного згинання круглих пластин були отримані вирази для деформацій і внутрішніх силових факторів в днищі.

Аналіз НДС днища показав:

– у зоні стикування ребер з пластиною присутня значна концентрація напружень до 3 відносно до напружень в перерізі в середині прольоту між ребрами;

– число ребер жорсткості має істотний вплив на напружений стан пластини при її товщині до 50 мм. При більшій товщині використання ребер недоцільне, при збільшенні числа ребер знижуються напруження в днищі.

В четвертому розділі розглянутий вплив зовнішніх навантажень і конструктивних особливостей на стійкість колони.

Обсадні труби в процесі експлуатації (при засміченні дренажних каналів) і при монтажі піддаються зовнішньому гідростатичному, а в деяких випадках і гірничому тиску. Все це, враховуючи значні габарити труб, може призвести до втрати стійкості. Таким чином, основним критерієм при проектуванні колони і виборі раціонального способу монтажу є критичний тиск на кріплення.

З урахуванням конструктивних особливостей характер втрати стійкості обсадної труби визначається параметрами шпангоута. Можливі наступні варіанти: якщо шпангоут пружний, то відбувається загальна втрата стійкості, якщо жорсткий – місцева. Провівши аналогію рівнянь стійкості з відповідними рівняннями коливання балки з розподіленими параметрами, були визначені умови, за яких виникає перехід від однієї форми до іншої:

– для одного шпангоута величина ефективної жорсткості складає

– ефективна жорсткість шпангоутів при довільному їх числі

Таким чином, із залежності (5) можна знайти максимальну довжину напівхвилі, яка визначатиме нижню межу величини критичного тиску (7), а з рівняння (6) знаходиться довжина участка труби, на якій відбуватиметься місцева втрата стійкості, що і визначає верхню межу величини критичного тиску (7).

Важливим є врахування впливу на критичний тиск відхилень від номінальної форми труби. Відхилення профілю подовжнього перерізу складно визначити і контролювати, оскільки воно може виникати тільки в процесі нарощування колони. Відхилення від круглості (овальність, ограновування) практично завжди відоме. При селективному методі зборки проводяться попередні обмірювання параметрів торців секцій труб для кращого стикування, що приводить до виникнення цього відхилення за всією довжиною колони.

Для визначення величини критичного тиску залежно від параметрів відхилень від номінальної форми труби використовувався метод скінчених елементів, реалізований програмним середовищем ANSYS. За розрахункові моделі були вибрані оболонки, шарнірно закріплені на торцях. Для початкових неправильностей розглянемо перші дві форми ограновування – овальність і трикутне ограновування.

Дослідження НДС колони в процесі втрати стійкості показало, що коли має місце зім'яття кріплення при осушенні стволів, під час вимивання цементного розчину і т.п., замість утворення малих вм'ятин, характерних для місцевої втрати стійкості, виникає здуття значного участка труби. При цьому відбувається руйнування конструкції кріплення (відрив шпангоутів від труби), що вельми часто спостерігається і в практиці буріння.

У п'ятому розділі запропонована методика визначення раціональних конструктивних параметрів обсадної колони для поліпшення технологічних процесів.

Існуюча конструкція обсадних колон має низку недоліків:

– деформації верхнього торця труби при великих довжинах секції ускладнюють процес збірки колони; 

– величина допустимого зовнішнього тиску на кріплення обмежує використання ефективнішого способу спуску;

– велика металоємність конструкції призводить до значних монтажних навантажень;

– недостатня міцність зварного шва між оболонкою і шпангоутом призводить до здуття значного участку труби при місцевій втраті стійкості.

Всі вищеперелічені проблеми частково або повністю вирішуються, якщо трубу замість однієї довгої оболонки представити як набір коротких оболонок або оболонок середньої довжини. Практично це реалізується установкою на час монтажу жорстких з'ємних бандажів у вигляді стержньової ферми встановленої всередині труби.

Для розрахунку обсадних колон з урахуванням особливостей конструкції та характеру навантаження була запропонована методика, яка умовно складається з двох частин: проектного розрахунку та перевірочного. В стадію проектного розрахунку входить:

– попереднє визначення приведеної товщини стінки труби та шагу установки бандажів;

– розподілення приведеної товщини між товщиною стінки оболонки та відносною жорсткістю шпангоутів;

– визначення шагу шпангоутів з урахуванням технологічності їх виготовлення.

До перевірочного розрахунку відноситься:

– побудова діаграми, яка визначає несучу здатність обсадної труби з умов стійкості та міцності;

– встановлення на основі діаграми остаточного шагу бандажу та розрахунок його параметрів.

Використання цієї методики при проектному розрахунку обсадних труб дозволяє знизити їх металоємність на 10...30%, а використання розпірних пристроїв для існуючих конструкцій колон дозволяє підвищити їх несучу здатність в 4...6 разів.

Проблема із зім'яттям кріплення при осушенні стволів вирішується, якщо конструктивно передбачити можливість викриття дренажних каналів при демонтажі бандажа до відкачування промивальної рідини.

 

 

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-технічна задача теоретичного обґрунтування вибору раціональних параметрів конструктивних елементів обсадних труб та технологічних регламентів їх монтажу на основі вперше встановлених залежностей напружено-деформованого стану та стійкості сталевого кріплення, що дозволяє підвищити техніко-економічні показники будівництва шахтних вертикальних стволів.