Содержание к диссертации
стр,
ВВЕДЕНИЕ ... . .......................... 6
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ УСТОЙ
ЧИВОСТИ ЦЙЛИЦДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ЗА ПРВДЕИОМ
УПРУГОСТИ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ... 12
Ї.І. Возможные подходы к определению критичес
кой нагрузки при потере устойчивости ци
линдрической оболочки 17
1.2. Сравнение расчетных и экспериментальных значений критических нагрузок для сжатых круговых цилиндрических оболочек из различных материалов »*. 1$
ГЛАВА 2. ЭКСПЕНШЕЕ1ГАЛЬНЫЕ ИССВДОВАНИН ПРОЦЕССА
ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ ЦИЩДРИЧЕШК ОБОЛОЧЕК
ПРИ ОСЕВОМ СЖАТИИ ........... 31
-
Влияние геометрических параметров цилиндрической оболочки на форму потери устойчивости ................«............. 31
-
Влияние внутренней оправки на форму потери устойчивости и величину критической на^* грузки при осевом сжатии цилиндрической оболочки ............... 42
-
Влияние начальных несовершенств на величину критической нагрузки при осевом сжатии круговой цилиндрической оболочки 52
стр.
2.4» Выбор материалов цилиндрических оболочек при использовании их в качестве уплотни-* тельных элементов для герметичного разобщения наружной оправки* Влияние повышенной температуры на пластические свойства металлов ............................. 57
ГЛАВА 3. ОСЕВОЕ СЖАТИЕ КРУГОВОЙ ЦШВДРЙЧЕСКОЙ ОБО
ЛОЧКИ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И
ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ...... 63
3.1, Испытательное оборудование ........... 64
3.2. Проведение исследований .................. 67
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЩОВАНШ ПРОЦЕССА
ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКТИВНО НЕОДНОРОДНЫХ
ЩЛИВДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК . ....... 74
-
Потеря устойчивости цилиндрической оболочки с несколькими проточками .......,...*. 74
-
Потеря устойчивости цилиндрической оболочки ступенчато-переменной толщины ».. 64
ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМЫХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА УПРАВЛЯЕМОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЫПУЧИВАНИИ ЦИЛЩДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК КАК УПЛОТНИГЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНОГО РАЗОБЩЕНИЯ НАРУЖНОЙ
ОПРАВКИ ... 94
5.1. Оборудование для испытаний деформированных
оболочек на герметичность разобщения ..... 94
стр.
5.2« Влияние количества уплотнительных гофров
на герметизирующую способность деформиро
ванной оболочки ......,....... 101
5.3, Влияние коэффициента пакеровки на герметизи
рующую способность деформированной оболочки 101
5.4. Влияние материала цилиндрической оболочки
на ее герметизирующую способность ......... ЮЗ
5.5« Влияние температуры на герметизирующую способность деформированной оболочки ......... 105
-
Изменение герметизирующей способности деформированной оболочки с течением времени Ю9
-
Прочность сцепления с наружной оправкой деформированной оболочки .................... ПІ
5*8« Выводы по определению герметичности разобщения и прочности сцепления с наружной оправкой деформированной оболочки .............. Ц8
ГЛАВА 6. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ІЩИВДРИЧЕСКЙХ ОБОЛОЧЕК
НА УСТОЙЧИВОСТЬ В СКВАЖИННЫХ УСЛОВИЯХ 120
6.1. Аппаратура для сжатия цилиндрических оболочек в скважине ............................ 120
6,2« Проведение скважинных испытаний ......... 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ »..* 139
ЛИТЕРАТУРА 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 1« Рекомендация по применению пакера силь-фонного типа для проведения ремонтно-изоляционнък работ в обсадных колоннах скважин Ромашкинского месторождения ПО "Татнефть" .................... 154
стр#
ПРИЛОЖЕНИЕ Сведения, подтверждающие внедрение и практическое использование в народном хозяйстве полученных в диссертации научных резуль-» татов ...........«...................«. 161
Введение к работе
ХХУІ съезд КПСС, последующие Пленумы ЦК КПСС поставили перед научными работниками, инженерами и техниками страны насущные задачи дальнейшего повышения надежности и экономичности машин и конструкций,.создания и внедрения прогрессивных технологий и оборудования /59/. Решение этих задач неразрывно связано с достижениями механики деформируемого твердого тела, которые помимо своей чисто научной значимости находят широкое применение в различных областях техники и во многом определяют реальные перспективы их развития.
Для современных конструкций характерно увеличение интенсивности воздействий, усложнение условий их эксплуатации, что приводит к необходимости использования неупругой стадии работы материала, учета пластических деформаций и соответствующих внешних факторов при разработке практических методов расчета. Одними из наиболее распространенных конструктивных элементов являются цилиндрические оболочки, для которых в определенных условиях возможна потеря устойчивости. При эксплуатации таких конструкций неустойчивость, как правило, определяет исчерпание ресурса их функционирования и является недопустимой. Однако, в ряде случаев, это явление и последующее закритическое деформирование могут быть использованы в качестве технологического процесса с заданными требованиями, для обеспечения которых необходим как контроль текущих параметров, так и выбор соответствующих геометрических размеров, материала оболочки, условий нагружения и т.д. Реализация такого управляемого процесса деформирования связана с изучением закономерностей процесса упругопластического выпучивания определением критических состояний оболочек (в том числе переменной толщины), зависимости от истории нагружения, давления, температуры, внешних связей и других факторов. В теоретическом плане эти вопросы очень сложны и разработаны недостаточно; цринципиальные трудности возникают уже на этапе постановки задачи при выборе варианта теории пластичности» учете эффектов сложного нагружения, ползучести материала и т.д. Имеющиеся опы-- тные данные весьма немногочисленны, относятся к ограниченным диапазонам исходных параметров и получены по различным методикам, так что их использование практически невозможно. В то же время экспериментальным путем возможно эффективное решение вопросов, связанных как с изучением общих закономерностей, так и с отработкой конкретных конструкций. Таким образом, исследования закономерностей потери устойчивости и неупругого деформирования цилиндрических оболочек, разработка и реализация на этой основе процесса управляемой пластической деформации являются актуальными в механике деформируемого твердого тела и ее приложениях.
Выпучивание сжатых цилиндрических оболочек и последующее их закритическое деформирование могут быть использованы в качестве технологического процесса при герметичном разобщении наружной оправки. Использование металлов и сплавов в качестве материалов цилиндрических оболочек позволяет проводить разобщение при высоких температурах и в средах агрессивных жидкостей, например, в скважинных условиях.
В настоящее время вопросам исследования и разработки надежных и экономичных способов и устройств, применяемых при бурении, исследовании, эксплуатации и ремонте скважин уделяется особое внимание в связи с необходимостью увеличения добычи топливных источников энергии - в первую очередь нефти и газа.
Для временного или постоянного разобщения скважин на от*» дельные участки и герметизации их стенок используется специальное скважинное герметизирующее устройство - пакер.
Технологические операции, требующие разобщения ствола скважины или герметизации ее стенок чрезвычайно разнообразны по характеру и условиям проведения: опробование пластов, закачка цементного раствора при тампонаже и ремонте, гидроразрыв и кислотная обработка пласта, раздельная эксплуатация двух или более горизонтов, другие профилактические, эксплуатационные и ремонтные мероприятия /15,20/. Такое многообразие работ обусловило большое количество применяемых пакеров и способов их установки. Однако, в связи с наметившейся тенденцией увеличе»* ния глубин нефтяных и газовых скважин и, как следствие этого, ужесточением эксплуатационных условий большинство традиционных способов и устройств оказываются недостаточно надежными и экономичными, что стимулирует разработку нового оборудования для работ по разобщению скважины и герметизации ее стенок.
Основным узлом скважинного пакера является уплотнительный элемент, служащий для перекрытия зазора между корпусом пакера и стенкой скважины. В отличие от уплотнительных устройств, используемых в гидравлических и пневматических агрегатах в общем машиностроении, уплотнители скважинных пакеров служат для перекрытия больших зазоров в недоступных для визуального контроля местах и на больших глубинах. Наиболее распространенным материалом уплотнителей является резина, однако в связи с ужесточением эксплуатационных условий все большее применение находят металлы и сплавы. Учитывая значение минимально допустимой величины кольцевого зазора между наружным диаметром пакера и внутрен- ним диаметром скважины, известное как коэффициент пакеровки /В/і
6~~= -f&-= /.08...І09 величина деформации металлов и сплавов при установке пакера находится в области пластической деформации.
На сегодняшний день известно несколько конструкций пакер-ных устройств, в которых используется принцип пластической деформации уплотнительного элемента, изготовленного из металла или сплава ДО, 16,56,62,71/. Однако широкое применение этих устройств сдерживается узким кругом задач, решаемым каждым из них и сравнительно низкими эксплуатационными возможностями.
Использование управляемого пластического деформирования металлов и сплавов, протекающего в расчетных режимах, открывает широкое поле деятельности для создания надежных, экономичных и универсальных герметизирующих устройств и, в частности, сква-жинного пакера, решающего широкий круг задач, возникающих при работах по разобщению скважин.
Учитывая, что наиболее удобной, с точки зрения изготовления и применения в скважине, формой уплотнительного элемента пакера является круговая цилиндрическая оболочка, исследование ее устойчивости при повышенных давлении и температуре, т.е. в скважинных условиях, является насущной, актуальной задачей.
До завершения этой работы не существовало устройств для проведения работ по разобщению скважины и герметизации ее стенки, принцип действия которых при установке основан на явлении потери устойчивости круговой цилиндрической оболочки уплотнительного элемента, изготовленной из металла или сплава, Созда- ниє таких устройств потребовало большого количества экспериментальных исследований в области устойчивости круговых цилиндрических оболочек различных типоразмеров (в том числе с конструктивными неоднородностями) с использованием внутренней и наружной оправок. Кроме того, для определения требуемых режимов процесса управляемой пластической деформации при выпучивании цилиндрических оболочек потребовалось теоретически и экспериментально обосновать влияние конструкционных параметров и условий эксплуатации на герметичность разобщения и прочность сцепления с наружной оправкой деформированной оболочки.
В данной работе представлены результаты исследований, выполненных автором в 1979-1985 годах в рамках тематики НИР кафедры сопротивления материалов Калининского политехнического института, координационного плана ВНИГИК Мингео СССР.
Цель работы - экспериментальное исследование устойчивости и закритического деформирования при осевом сжатии цилиндрических оболочек из различных материалов и различных типоразмеров (в том числе с конструктивными неоднородностями), в условиях нормальных и повышенных давлений и температур, определение условий, позволяющих реализовать процесс управляемой пластической деформации.
В задачи исследований входило: анализ современного состояния теории устойчивости Ц№* линдрических оболочек за пределом упругости, выбор варианта теории и расчет критических нагрузок оболочек из различных конструкционных материалов; разработка методик и аппаратуры для проведения испытаний на устойчивость при сжатии цилиндрических оболочек в уело- виях повышенных давлений и температур; - испытание оболочек из различных материалов и различных типоразмеров с целью определения влияния геометрических пара~ метров, односторонних связей в виде внутренней оправки, оеесим- метричных погибей и конструктивных неоднородностей на форму по тери устойчивости и величину критической нагрузки при осевом сжатии; ** обоснование выбора материала и исходных параметров для реализации требуемых режимов управляемой пластической деформации; - разработка, на основе полученных результатов, конструкции скважинного пакера сильфонного типа с уплотнителем в виде протол ченной цилиндрической оболочки ступенчатопеременной толщины, предназначенного для решения широкого круга задач при бурении, исследовании, эксплуатации и ремонте скважин.
Основные положения, выносимые автором на защиту, изложены в главе "Заключение и выводы".
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю — доктору технических наук, профессору В.Г.Зубчанинову -за постановку задач, обсуждение полученных результатов, а также всестороннюю поддержку и внимание; сотрудникам кафедры сопротивления материалов - за помощь при подготовке и проведении экспериментов; сотрудникам ВНИГИК, ВНИИГИС, ВНИПИвэрывгеофизика и ПО "Татнефть" - за проведение скважинных испытаний и опытно-промысловых работ.
