Обгрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів

Проблеми пов'язані з кріпленням стволів і свердловин пройдених бу-рінням є вельми істотними, оскільки 30…40% від витрат вартості, трудоміст-кості і робочого часу на споруду свердловин великого діаметра доводиться на процеси, пов'язані з кріпленням. При збільшенні глибини та діаметру све-рдловин частка цих витрат значно зростає.

Виходячи з перспективи буріння стволів великого діаметра і практич-ної відсутності альтернативи кріпленню сталевим кріпленням в складних гір-ничо-геологічних умовах, було поставлено завдання дослідити напружено-деформований стан колон з метою теоретичного обґрунтування вибору раці-ональних параметрів конструктивних елементів обсадних труб.

У другому розділі розглянутий вплив монтажних навантажень на на-пружено-деформований стан (НДС) колони.

Проведення монтажних робіт є однією з найбільш складних і трудоміс-тких операцій зведення кріплення. При цьому в секціях обсадної колони про-різають монтажні вікна. При дії на вікна реакцій від підйомного пристрою або монтажної балки (рис. 1), викликаних вагою колони, виникає значна де-формація труби в околицях вікна, а також руйнування матеріалу колони, що призводить до поломок і аварій в процесі спуску.

Існуюча технологія кріплення стволів і свердловин великого діаметра при виборі деяких конструктивних і технологічних параметрів не враховує низку чинників. Такими чинниками є:

1. Деформації верхнього торця труби, які заважають стикування з ін-шими секціями;

2. Деформації і напруження в монтажних вікнах.

Провівши аналіз впливу низки параметрів на величину деформації вер-хнього торця труби, з використанням напівбезмоментної теорії розрахунку оболонок, були отримані формули для визначення радіального і осьового пе-реміщень:

 

 ; (1)

 , (2)

 

де   – реакція від монтажної балки, викликаної вагою колони, Н;   – радіус труби, м;   – модуль пружності матеріалу колони, Па;   – товщина стінки труби, м;   – осьовий момент інерції шпангоута, м4;

 

Аналіз величини деформацій для різних конструктивних параметрів колони показав, що значними є радіальні переміщення, які можуть переви-щувати виробничий допуск на виготовлення секцій труб. Таким чином, при виборі порядку секцій при селективному методі зборки колони, слід врахову-вати монтажні деформації за формулами.

Величина і характер розподілу напружень навколо монтажних вікон залежить від їх кількості, розмірів і форми. Залежно від геометрії монтажно-го вікна в колоні і підйомного пристрою.

Перша схема визначає зосереджене навантаження і є спрощеною. Дру-га схема – рівномірний розподіл навантаження, відповідає взаємодії прямо-кутної монтажної балки з прямокутним вікном. Третя схема – нерівномірний розподіл навантаження, відповідає варіантам, в яких причіпний пристрій або монтажна балка взаємодіє з вікном з утворенням плями контакту, при якому максимальне зусилля доводиться на середину, а до краю убуває.

Розкладаючи навантаження в ряди Фур’є з використанням напівбезмо-ментної теорії розрахунку оболонок, були отримані вирази для внутрішніх силових факторів, що виникають в трубі від дії монтажних навантажень.

Аналіз напружень, що виникають при цьому, показав, що участок, на якому інтенсивно проявляється вплив характеру навантажень, незначний і складає приблизно 20 см (рис. 3). Це визначає мінімальний розмір підсилюю-чої накладки над монтажним вікном.

У третьому розділі проведені дослідження НДС обсадної колони при спуску наплаву з урахуванням її конструктивних особливостей.

Для визначення несучої здатності обсадна колона розглянута як труба, що зварена з листів і посилена кільцевими ребрами (шпангоутами) з швелера або штаби. Один край труби заглушають днищем і спускають в свердловину, заповнену буровим розчином. При цьому частина труби над днищем знахо-диться в стані, відповідному осесиметрічному стисненню. Використовуючи моментну теорію осесиметрічних циліндричних оболонок, були отримані ви-рази внутрішніх силових факторів на участку труби між двома сусідніми шпангоутами.

Аналіз напруженого стану на даному участку труби (рис. 4) дозволяє визначити найбільш раціональні співвідношення кроку, жорсткості ребер і товщини стінки труби.

Для спуску обсадних труб невеликого діаметра (до 1 м) на плаву або на повітряній подушці, як правило, за днище використовується цементний міст значної товщини. При великих діаметрах використання такого днища стає неприйнятним через складнощі його монтажу. Таким чином, для труб вели-кого діаметра виникає необхідність в конструкції менш масивного і достат-ньо міцного днища. Необхідні параметри може забезпечити сталеве днище.

З використанням моментной теорії осесиметрічних циліндричних обо-лонок, а так само теорії осесиметрічного згинання круглих пластин були отримані вирази для внутрішніх зусиль в трубі і днищі.

Для визначення необхідної жорсткості днища з умови його міцності, а також довжини участка труби, яку необхідно укріпити, і параметрів підси-люючих ребер був досліджений НДС зони стикування оболонки з пружним днищем, аналіз, якого показав, що днище з товщиною понад 120 мм можна вважати абсолютно жорстким, а товщина труби в зоні стику повинна бути понад 100 мм. Таким чином, через значне навантаження зони стикування оболонки з днищем жорстке з'єднання слід вважати неефективним.

Використання суцільного сталевого днища для обсадних колон велико-го діаметра не раціонально через високу матеріаломісткість і масивність, що в свою чергу призводить до складнощів його монтажу. Найбільш раціональна конструкція є тонкостінною пластиною, посиленою радіальними ребрами.

Існуючі спрощені методи розрахунку круглих пластин, підкріплених радіальними ребрами, припускають осесимметрічний характер деформації такої пластини, що обмежує їх застосування. Для