Обгрунтування параметрів сталевого кріплення при бурінні шахтних вертикальних стволів

 

 , (3)

 

де   – радіус днища;   – згинальна жорсткість днища,   – товщина пластини,   – число ребер,   – згинальна жорсткість ребер.

Для випадку, коли виконується умова (3), можна скористатися розра-хунковою 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 круго-вому перерізі  .

З використанням теорії несиметричного згинання круглих пластин бу-ли 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 плас-тини при її товщині до 50 мм. При більшій товщині використання ребер не-доцільне, 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 кана-лів) і при монтажі піддаються зовнішньому гідростатичному, а в деяких ви-падках і гірничому тиску. Все це, враховуючи значні габарити труб, може призвести до втрати стійкості. Таким чином, основним критерієм при проек-туванні 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 ва-ріанти: якщо шпангоут пружний, то відбувається загальна втрата стійкості, якщо жорсткий – місцева. Провівши аналогію рівнянь стійкості з відповід-ними рівняннями коливання балки з розподіленими параметрами, були ви-значені умови, за яких виникає перехід від однієї форми до іншої:

– для одного шпангоута величина ефективної жорсткості складає

 

 ; (4)

– при довжині оболонки  

 ; (5)

 

– ефективна жорсткість шпангоутів при довільному їх числі

 

 , (6)

 

де   – безрозмірний осьовий момент інерції, залежить від граничних умов закріплення оболонки (для шарнірного –  ),  ,  ,   – відповідно мінімальне і максимальне власні значення рівняння стійкості;   – коефіцієнт, що враховує вплив прийнятих допу-щень при виведенні формули,   – число на півхвиль, характерне для зага-льної форми втрати стійкості,   – згинна жорсткість оболонки,  ,   – крок шпангоутів,   – приведена товщина стінки оболонки.

Якщо на заданому участку число ребер значне, і вони мають однакову жорсткість та розташовані з постійним кроком, то таку конструкцію можна розглядати як ортотропну з приведеною жорсткістю ребер, і тоді величину критичного тиску можна визначити за відомою формулою

 

 , (7)

 

де   – відповідає власному значенню рівняння стійкості для гладкої оболонки відповідно заданій схемі,   – приведена жорст-кість оболонки.

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 мі-сцева втрата стійкості, що і визначає верхню межу величини критичного тис-ку (7).

Важливим є врахування впливу на критичний тиск відхилень від номі-нальної форми труби. Відхилення профілю подовжнього перерізу складно визначити і контролювати, оскільки воно може виникати тільки в процесі на-рощування колони. Відхилення від круглості (овальність, ограновування) практично завжди відоме. При селективному методі зборки проводяться по-передні 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 початко-вих неправильностей розглянемо перші дві форми ограновування – оваль-ність і трикутне ограновування.

Дослідження НДС колони в процесі втрати стійкості показало, що коли має місце зім'яття кріплення при осушенні стволів, під час вимивання цемен-тного розчину і т.п., замість утворення малих вм'ятин, характерних для міс-цевої втрати стійкості, виникає здуття значного участка труби. При цьому відбувається руйнування конструкції кріплення (відрив шпангоутів від тру-би), 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 ви-користання ефективнішого способу спуску;

– велика металоємність конструкції призводить до значних монтажних навантажень;

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

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

Для розрахунку обсадних колон з урахуванням особливостей констру-кції та характеру навантаження