Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффективности использования силовых импульсов в колонне труб при бурении скважин малого диаметра ударно-вращательным способом. задачи исследования 12
1.1. Технология бурения скважин малого диаметра ударно-вращательным способом 12
1.2. Динамические процессы в ударной системе установок для бурения скважин 17
1.3. Постановка задачи исследования 22
Глава 2. Выбор и обоснование методов исследования 24
2.1. Анализ известных математических моделей продольного соударения тел 24
2.2. Выбор и обоснование метода исследования процесса распространения силовых импульсов по колонне бурильных труб 31
2.3. Методика экспериментальных исследований процесса распространения силовых импульсов по колонне бурильных труб к породоразрушающему инструменту 45
2.3.1. Методика экспериментальных исследований 45
2.3.2. Методика регистрации волн деформаций в элементах колонны бурильных труб 56
2.3.3. Методика математической обработки экспериментальных данных 58
Глава 3. Исследование закономерностей распространения силовых импульсов по колонне бурильных труб к породоразрушающему инструменту 61
3.1. Исследование процесса распространения волн по участкам постоянного сечения колонны бурильных труб 61
3.1.1. Исследование влияния геометрических параметров бурильных труб на эффективность передачи энергии силового импульса при распространении волн по участкам постоянного сечения 61
3.1.2. Исследование механизма передачи энергии ударных импульсов по колонне бурильных труб к породоразрушающему инструменту 72
3.2. Исследование процесса распространения силовых импульсов через резьбовые соединения бурильных труб 83
3.2.1. Исследование упругого и неупругого сопротивления резьбовых соединений бурильных труб в процессе циклической деформации 84
3.2.2. Разработка динамической модели резьбовых соединений бурильных труб 93
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований. разработка метода инженерного расчета распространения волн в буровом инструменте 100
4.1. Результаты экспериментальных исследований изменения параметров силовых импульсов в процессе передачи по колоннам бурильных труб 100
4.2. Разработка метода инженерного расчета распространения продольных волн по буровому инструменту 110
4.2.1. Анализ существующих методов расчета распространения продольных волн ПО
4.2.2. Разработка метода расчета распространения продольных волн по буровому инструменту 112
4.2.3. Сравнительный анализ результатов расчета с экспериментальными данными с целью оценки эффективности использования метода 122
Заключение 126
Список литературы 128
- Динамические процессы в ударной системе установок для бурения скважин
- Выбор и обоснование метода исследования процесса распространения силовых импульсов по колонне бурильных труб
- Исследование процесса распространения силовых импульсов через резьбовые соединения бурильных труб
- Разработка метода инженерного расчета распространения продольных волн по буровому инструменту
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время велика потребность в бурении скважин малого диаметра (40 - 70 мм). Так, например, только на одном Хайдарканском руднике в год бурится 60 000 м таких скважин [61, 62, 91]. Область их применения включает геологоразведочные и технические скважины различного назначения.
К преимуществам скважин малого диаметра можно отнести значительно меньшие энергозатраты на разрушение пород, наибольшие механические скорости бурения за счет сокращения площади забоя и соответствующего объема разрушаемой породы; меньшую металлоемкость инструмента: коронок, бурильных труб (штанг); меньший расход промывочной жидкости; меньшее запыление проходческих выработок.
При проходке таких скважин в породах средней твердости и выше часто применяют машины ударно-вращательного действия, которые находят достаточно широкое применение при бурении скважин из подземных горных выработок: при бескерновом бурении породоразрушающим инструментом малого диаметра на месторождениях с достаточно изученным геологическим разрезом, а также при разведочном бурении с отбором шлама [11, 18, 49, 78, 80,81,100,102,131,132].
Проходка скважин в породах средней твердости и выше до некоторого времени, осуществлялась, в основном, погружными пневмоударниками [9, 16, 30]. Так в связи с производственной необходимостью в ИГД СО РАН в 2005 г. впервые в отечественной и зарубежной практике был разработан погружной пневмоударник АШ45 для бурения скважин диаметром 45 мм глубиной до 20 м, что подтверждает актуальность научных исследований в данном направлении [137]. Однако, применение таких пневмоударников для бурения скважин малого диаметра малоэффективно, так как резко снижает производительность буровых агрегатов [116]. Такие скважины с высокой производительностью бурят машинами с мощными ударными механизмами,
расположенными вне скважины. Распространение колонковых перфораторов с зависимым от ударного механизма вращением колонны бурильных труб ограничено малой глубиной скважин из-за низкого крутящего момента на инструменте, поэтому все шире применяются станки с независимым от ударного механизма вращением [55,117].
Без четкого представления о волновых процессах в колонне бурильных труб невозможно проводить научно обоснованное совершенствование техники бурения скважин малого диаметра. Ведь именно формируемая бойком при упругом ударе продольная волна деформации (или волна напряжений, силовой импульс) переносит энергию бойка к породоразрушающему инструменту (ПРИ).
В последние годы внимание к данной проблеме увеличивается в связи с тем, что массовое внедрение прогрессивных машин для бурения скважин малого диаметра сдерживается именно отсутствием рациональной, научно обоснованной конструкции бурильных труб, обеспечивающей высокий коэффициент передачи энергии силового импульса и, как следствие, высокую стойкость соединений бурильных труб.
Бурильные трубы - наиболее ответственная часть бурового инструмента. Так, статистикой установлено, что порядка 60 % всех аварий происходит вследствие их поломки. Поэтому чрезвычайно важно максимально использовать все резервы продления срока их службы, что положительным образом сказывается на снижении стоимости буровых работ [25,49].
При распространении волны деформации по бурильным трубам и прохождении через резьбовые соединения её форма изменяется (трансформируется), а энергия частично рассеивается [113, 114]. При этом в буровом инструменте формируются поперечные волны, которые не создают продольного внедрения ПРИ, необходимого для разрушения породы. Кроме того, в процессе распространения волны деформации через соединение возможен его нагрев [82] и даже разрушение.
Вследствие малого диаметра скважины невозможно оценить величину подводимой к ПРИ энергии силового импульса, поэтому данная работа, направленная на изучение волновых процессов в колонне бурильных труб и разработку научно обоснованного метода расчета передачи энергии силовых импульсов по ним при бурении скважин малого диаметра, весьма актуальна.
Существующие методы расчета распространения волн по колонне бурильных труб являются трудоемкими и обладают относительно низкой точностью [5, 7,41,47, 75,124].
Кроме того, сами создатели отечественных погружных пневмоударников (Н.Н. Есин и др.) [37] считают, что создать высокопроизводительный и надежный пневмоударник диаметром менее 75 мм практически невозможно из-за технических трудностей.
Большой вклад в решение проблемы повышения эффективности передачи энергии силовых импульсов по составным упругим волноводам, что и представляют собой колонны бурильных труб, внесли работы О.Д. Алимова, Е.В. Александрова, А.И. Белова, В.Ф. Горбунова, Л.Т. Дворникова, В.Э. Еремьянца, К.И. Иванова, Г.М. Кашкарова, В.К. Манжосова, Н.Ф. Медведева, Б.М. Ребрика, СЯ. Рябчикова, Л.А. Саруева, А.П. Слистина, С.С. Сулакшина, А.Г. Цуканова, В.И. Чирьева, И.Г. Шелковникова, Е.Ф. Эпштейна, Д.А. Юнгмейстера, Е. Ферхарста, Ф.К. Арндта и многих других отечественных и зарубежных исследователей. Однако некоторые вопросы изучены недостаточно полно, такие как теоретическое обоснование и выбор параметров колонны бурильных труб, количественная оценка потерь энергии силовых импульсов за счет взаимодействия бурильных труб с резьбовыми соединениями.
Результаты проведенных исследований [89] показывают возможность положительного решения этой проблемы. Однако достаточных обоснований и четких указаний реальных путей достижения высокого коэффициента передачи энергии удара по колонне бурильных труб до настоящего времени нет. Учитывая принципиальную важность этих вопросов для бурения
скважин, были проведены специальные исследования в этом направлении, и разработан метод расчета передачи силовых импульсов по буровому инструменту.
В настоящее время машины ударно-вращательного действия применяются на Хайдарканском ртутном месторождении (Кыргыстан) [91], в Приаргунском производственном горно-химическом объединении (г. Краснокаменск) [109, 135], на руднике Лениногорского полиметаллического комбината (Восточный Казахстан) и других предприятиях и месторождениях России и Ближнего Зарубежья.
Идея выполненной работы состоит в определении силовых и энергетических параметров импульсов в колонне бурильных труб на основе метода спектрального разложения Фурье, позволяющего определить границу продольных и поперечных волн в буровом инструменте.
Целью работы является разработка нового метода расчета передачи силовых импульсов по буровому инструменту с экспериментальной проверкой результатов в искусственных скважинах.
Методы исследования. В данной работе использовался комплексный метод исследований, который включал в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования. Методы исследования базируются на известных положениях теории удара, на решениях задач о продольном соударении стержней с использованием одномерной волновой теории Сен-Венана, на частотном представлении функции, описывающей передачу силового импульса. Экспериментальные данные получены тензометрированием процессов распространения волн деформаций на специальном стенде, имитирующем 3 скважины диаметрами 42, 56, 70 мм глубиной 39 м и обрабатывались методами математической статистики.
Научные положения, защищаемые в работе.
1. Буровой инструмент с точки зрения распространения продольных волн представляет собой фильтр низких частот с полосой пропускания, определяемой частотой запирания (отсечки). На основе теоретических
исследований выявлена закономерность, показывающая, что уменьшение наружного диаметра и увеличение относительной толщины стенки бурильных труб приводят к расширению полосы пропускания в сторону более высоких частот.
Коэффициент передачи энергии силовых импульсов по колонне бурильных труб повышается с увеличением жесткости резьбовых частей бурильных труб, контактной жесткости витков резьбы и снижением жесткости соединительных элементов. Сила неупругого сопротивления в муфтовых соединениях с ростом крутящего момента непрерывно растет, а в ниппельных ее изменение носит экстремальный характер, что определяется направлением поперечной деформации резьбовых частей труб относительно тела соединительного элемента.
Установлены закономерности распространения силовых импульсов по буровому инструменту, которые подтверждают возможность передавать по современным конструкциям колонн бурильных труб порядка 70 % энергии силовых импульсов от машин на забой 25...30-метровых скважин.
Научная новизна.
На основе теоретических исследований волновых процессов в буровом инструменте установлена аналитическая зависимость величины энергии силовых импульсов от их частотных характеристик и геометрических параметров бурильных труб.
Экспериментально установлены качественные характеристики влияния жесткостей резьбовых частей бурильных труб, контактов витков резьбы и соединительного элемента на передачу силовых импульсов.
Разработан метод инженерного расчета передачи силовых импульсов при бурении скважин малых диаметров, позволяющий на этапе проектирования оценить эффективность конкретной конструкции колонны бурильных труб, что является существенным вкладом в решение задачи повышения качества техники бурения скважин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом теоретических исследований, выполненных на основе апробированных методов теории упругости, волновой теории удара, преобразования Фурье и экспериментов на моделях и натуральных образцах различных конструкций бурового инструмента с применением метрологического оборудования и методов статистической обработки опытных данных, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Личный вклад. Непосредственно автором проведены теоретические исследования распространения силовых импульсов по колоннам бурильных труб, а также экспериментальные исследования по анализу потерь энергии силовых импульсов в резьбовых соединениях по гистерезисным диаграммам. По результатам экспериментальных исследований получены графические зависимости изменения энергии, амплитуды силы, длительности силовых импульсов в колоннах бурильных труб в зависимости от длины колонны (или числа пройденных соединений).
Диссертационная работа непосредственно связана с выполнением научно-исследовательской работы по гранту "Выявление закономерностей распространения силовых импульсов по колонне штанг при ударно-вращательном бурении разведочных скважин", выделенному Томским политехническим университетом в 2005 г.
Практическая ценность работы заключается в разработке:
рекомендаций по определению рациональных геометрических параметров бурильных труб для эффективной передачи энергии удара к породоразрушающему инструменту;
рекомендаций по увеличению коэффициента передачи энергии силовых импульсов через резьбовые соединения;
метода инженерного расчета энергии, амплитуды силы импульсов при их распространении по колонне труб в процессе бурения скважин.
4. Результаты работы могут быть использованы при проектировании бурового инструмента, а также в учебном процессе при подготовке инженерных кадров горно-геологических специальностей.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный автором метод расчета передачи силовых импульсов в колонне бурильных труб при бурении скважин малого диаметра принят к внедрению в ООО "Томская горнодобывающая компания" (г. Томск), 000 "Горный инструмент" (г. Новокузнецк), что подтверждено соответствующими актами (Приложение 1).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на научных семинарах в Институте геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университета; научном семинаре машиноведения Института горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск); объединенном научном семинаре Томского государственного университета, Научно-исследовательского института прикладной математики и механики, Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, отдела макрокинетики Томского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук; на международных конференциях: "Проблемы геологии и освоения недр", г.Томск, 1998, 2003 - 2006 гг.; "Динамика и прочность горных машин", г.Новосибирск, 2003 г.; "Наука и технология. KORUS-2005" (Корейско-Русский международный симпозиум), г. Новосибирск, 2005 г.; "Современные техника и технологии 2003", г. Томск, 2003 г.; на всероссийской конференции "Наука и инновации XXI века", г. Сургут, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Основной текст изложен на 127 машинописных страницах и содержит 41 рисунок, 7 таблиц и 3 приложения.
Динамические процессы в ударной системе установок для бурения скважин
В настоящее время установки ударного действия имеют широкую область применения. В зависимости от назначения имеется многочисленный ряд установок, в которых удар бойка передается обрабатываемой среде через колонну бурильных труб. Как отмечалось ранее, при прочих равных условиях повышение их производительности может быть достигнуто благодаря обеспечению условий эффективной передачи энергии силового импульса, сформированного бойком, по колонне труб к ПРИ. Буровой инструмент современных установок ударного действия представляет собой совокупность последовательно расположенных хвостовика, бурильных труб и породоразрушающего инструмента, связанных между собой при помощи резьбовых соединений той или иной конструкции. Хвостовик и бурильные трубы имеют вид прямолинейных стержней в общем случае с участками постоянного и переменного сечения. Общий вид бурового инструмента приведен на рисунке 1.2. Принцип действия такой ударной системы заключается в следующем. Ударный механизм 1 возбуждает и поддерживает возвратно-поступательное движение бойка. При своем движении боек 2 наносит удары по хвостовику 3 бурового инструмента, в котором при каждом ударе формируется волна деформации, характеризующаяся формой (профилем), амплитудой, длительностью и энергией. Амплитуда и длительность импульса определяются материалом, формой и размерами соударяющихся тел [97]. При распространении волны деформации по бурильным трубам 4 и прохождении ее через соединения 5 форма волны изменяется (трансформируется), а энергия частично рассеивается. Распространяясь по бурильным трубам и воздействуя на ПРИ 6, находящийся в контакте с горной породой 7, волна деформации приводит к внедрению инструмента в ГП и ее последующему разрушению.
По мере распространения силовых импульсов по буровому инструменту амплитуда силы и энергия импульса постепенно снижаются, поэтому очень важно уменьшить эти потери. Рассматривая физическую сущность процесса бурения, его можно разделить на несколько этапов. I. Нагружение инструмента при ударном и ударно-вращательном (вращательно-ударном) способе бурения производится за счет энергии прямолинейно-поступательного движения бойка ударного механизма. В течение цикла кинетическая энергия бойка переходит в энергию волны продольных колебаний бурильной трубы (падающего импульса). II. Распространяясь по колонне труб со скоростью звука (5100...5200 м/с) и проходя через существующие соединения, волна теряет часть своей энергии. Эти потери определяются формой падающего импульса, параметрами соединений, геометрией бурильных труб, свойствами их материала, жесткостью взаимодействия контактирующих поверхностей и рядом других факторов. III. При достижении импульсом границы "инструмент - порода" происходит воздействие на породу в результате преобразования энергии продольных волн в работу по ее разрушению. Энергия импульса, идущая на разрушение породы, может быть определена как разница энергий падающей и отраженной волн. IV. Часть энергии в виде импульса отражается от ГП. Отраженный импульс и его параметры определяются ситуацией на границе "инструмент -среда" и параметрами падающего импульса. Соотношение между энергиями падающего и отраженного импульсов, таким образом, зависит от формы падающего импульса. Если усилие, развиваемое импульсом, велико по сравнению с необходимым для внедрения в среду, то отразится импульс растяжения. Если уровень усилия, развиваемый импульсом, недостаточен для проникновения инструмента в обрабатываемую среду, то импульс почти полностью отразится в виде волны сжатия. В целом в проблеме совершенствования техники бурения, изучении волновых процессов в буровом инструменте можно выделить ряд самостоятельных вопросов. Первый вопрос связан с формированием в буровом инструменте волн с рациональными параметрами. До настоящего времени решение этой проблемы проводилось, главным образом, на основании изучения процесса формирования волн деформаций бойками различной геометрии и поиска конструкций бойков [39]. В этом направлении накоплен достаточно большой теоретический и экспериментальный материал. Большой вклад в исследование процессов формирования волн деформаций внесли работы Е.В. Александрова, В.Д. Андреева, К.И. Иванова и В.Б. Соколинского. Эти процессы изучали О.Д.Алимов, Л.И. Барон, Л.Т. Дворников, В.Э. Еремьянц, Ю.Г. Коняшин, В.К. Манжосов, А.А. Мясников, И.П. Никонова, Г.Н. Покровский, Б.Н. Серпенинов, Б.Т. Тагаев, И.Д. Шапошников и др. Из зарубежных исследователей, внесших значительный вклад в изучение процессов формирования волн деформаций в упругих волноводах, следует отметить работы Ф.К. Арндта, П.К. Дата, А.Е. Сирса, Ч. Ферхарста, Г. Фишера. В перечисленных работах рассмотрены процессы формирования волн деформации цилиндрическими бойками с постоянными по длине поперечными сечениями, бойками ступенчатой конфигурации, коническими и имеющими форму гиперболоида. Но несмотря на большой объем проведенных исследований, к настоящему времени еще не сложилось единое мнение о рациональных формах бойков ударных механизмов.
Выбор и обоснование метода исследования процесса распространения силовых импульсов по колонне бурильных труб
Рассмотрим методы исследования волновой модели удара Сен-Венана. Метод Даламбера. Рассмотрим сущность этого метода на примере расчета процесса соударения бойка конечной длины о полубесконечный стержень равного поперечного сечения [27]. Схема соударения представлена на рис. 2.4. В дальнейшем будем предполагать, что материал стержней одинаков и их соударяющиеся торцы являются плоскими. где Fl и F2 - произвольные функции. Непосредственной подстановкой легко убедиться, что решение (2.19) тождественно удовлетворяет уравнению (2.14). Функция Fx 1\ представляет волну, перемещающуюся в положительном направлении по оси х со скоростью а0; F2 перемещающуюся в отрицательном направлении с той же скоростью. Общее решение уравнения (2.14) в форме Даламбера представляет суперпозицию двух волн, перемещающихся в положительном и отрицательном направлениях. Вид функций Fx и F2 определяется из начальных условий, которые для рассматриваемой задачи имеют вид (2.15), (2.16). Полагая в (2.19) t = 0 и принимая во внимание (2.15), придем к уравнению Дальнейшее поведение волн (2.26) определяется граничным условием (2.17). Это условие эквивалентно отсутствию напряжений на свободном торце бойка и приводит к полному отражению обратной волны со своим знаком. Существуют практические модификации метода Даламбера. Так, например, можно выделить графодинамический (графоаналитический) метод [6, 41, 111]. Данный метод относится к так называемым методам численного эксперимента и требует применения компьютерных технологий. Графодинамический метод позволяет достаточно точно и полно решить задачу формирования и распространения импульсов упругой деформации в ударных системах переменной формы [39]. Пусть волна следует из сечения 5, в сечение S2, причем в точке х = 0 сечение резко меняется (рис. 2.5). Тогда на границе раздела сечений часть энергии волны пройдет из первого стержня во второй, а часть отразится обратно в стержень.
Используя выражения (2.27) и (2.29), можно производить расчеты по определению усилий в ударных системах с плоскими ударными сечениями как аналитически, так и графически. Если боёк переменного сечения ударяет по цилиндрическому стержню, то в последнем возникают силы с переменными значениями. Эти силы определяются сечениями и взаимодействием прямых и отраженных волн. В основе графодинамического метода лежит определение указанных сил. При ударе бойка, в данном случае трехступенчатого (рис. 2.6), по стержню от места соударения будут двигаться волны продольной деформации в обе стороны со скоростью звука а0. Коэффициенты прохождения и отражения для каждого сечения: Для расчета принимаются длины участков, в которых элементарная длина укладывается целое число раз. Поэтому для удобства можно принять /, = /2 = /3 = /. За единицу времени принимается время прохождения волны Через время t волна пройдет по ударнику до сечения 1-І. Здесь часть силы, равная 4, отразится от выступа. Одновременно другая часть силы, равная 5j, пройдет через сечение 1-І. Далее эта сила пройдет до сечения II—II, где часть ее, равная 2,, отразится от выступа, а другая часть, равная 3,, пройдет через это сечение и сложится с предыдущей силой. Обе силы, пройдя в стержень через плоскость соударения, образуют в нем силу F2. Через время 3t возникнет сила F3 и т.д. в зависимости от выбранного числа шагов. По результатам вычислений строится график зависимости силы F, возникающей в стержне (волноводе), от времени, который отразит форму ударного импульса, генерируемого ударником при ударе по волноводу.
Одним из преимуществ использования графодинамического метода при решении задач о продольном соударении стержней является его приспособленность для программирования, что значительно упрощает и ускоряет процесс исследования ударной системы. Методы операционного исчисления. В основе метода операционного исчисления лежит идея замены изучаемых функций (оригиналов) некоторыми другими функциями (образами), получаемыми из данных по определенным правилам, причем действия над оригиналами заменяются более простыми действиями над образами [6,39].
Исследование процесса распространения силовых импульсов через резьбовые соединения бурильных труб
Анализ работы современных конструкций резьбовых соединений бурильных труб (муфтовых и ниппельных) показывает, что суммарные нагрузки, действующие в соединении, складываются из нагрузок, вызванных действием усилия предварительного поджатия и крутящего момента и нагрузок, возникающих при прохождении продольной волны [41, 66]. Задача об определении нагрузок, вызванных действием осевого усилия и крутящего момента, подробно рассмотрена в [4,13, 32]. Муфтовое (ниппельное) соединение бурильных труб можно рассматривать как упругую колебательную систему. Для описания диссипативных сил в нем будем использовать характеристику, представляющую зависимость диссипативной силы от скорости деформации упругого элемента [42]. Как известно, часто в конструкциях демпферов используют элементы сухого трения, характеристика которого имеет вид где Fw - сила сухого трения. Во многих случаях разделение полной силы на упругую и диссипативную силы является условным, а зачастую и вообще физически неосуществимым. Последняя относится, прежде всего, к силам внутреннего трения в материале упругого элемента и к силам конструкционного демпфирования, связанного с диссипацией энергии при деформации неподвижных соединений, в том числе резьбовых. После прохождения импульса через резьбовое соединение бурильных труб последнее не возвращается полностью в исходное напряженное состояние из-за наличия сил неупругого сопротивления в резьбе. Закономерности изменения сил упругого и неупругого сопротивления исследованы на специальном стенде путем нагружения соединений в режиме "сжатие - растяжение". В результате получены упруго-деформирующие характеристики для четырех типов соединений бурильных труб. Как уже отмечалось ранее при ударно-вращательном бурении соединения труб находятся в условиях сложного динамического напряженного состояния. Основываясь на экспериментальных [93, 94, 118, 120, 122] и литературных данных [21, 42, 68], соединение бурильных труб представляет собой упруго-фрикционную систему.
При действии на соединение импульса в виде волны деформации происходит смещение труб относительно муфты. Работа, совершаемая силами трения, определяет основную величину потерь энергии импульса в соединении. Это подтверждается исследованиями, проведенными в лаборатории удара и вибрации ИГД им. А.А. Скочинского и в Японии [66, 67], по передаче энергии удара через соединения бурильных труб, которые показали, что потери энергии ударного импульса происходят по двум причинам: а) за счет работы сил трения соединительных элементов о трубы; б) за счет отражения волн от мест стыка труб. Потери энергии по другим причинам пренебрежимо малы. Результаты экспериментальных исследований современных конструкций бурильных труб показывают, что за счет сохранения постоянства сечения волновода по длине колонны отражения волн упругой деформации от соединений труб настолько малы, что ими также можно пренебречь [89,90]. Проведенные эксперименты показали наличие нелинейности восстанавливающих и диссипативных сил [121]. Рассмотрим особенности процесса деформирования соединений труб по характерным участкам гистерезисной диаграммы, полученной в результате исследования работы резьбового соединения на стенде при квазистатическом нагружении. Перед снятием диаграммы соединение нагружалось крутящим моментом, при этом происходила деформация резьбовых частей бурильных труб и соединительного элемента на величину, определяемую крутящим моментом. В начале цикла, когда сила сжатия меньше сил сцепления в витках резьбы жесткость соединения незначительна (рис. 3.8).
При дальнейшем нагружении происходит сжатие бурильных труб и высвобождение муфты, трение покоя переходит в трение скольжения. Контакты витков оказывают все меньшее влияние на общую жесткость соединения, поэтому участок бв соответствует большей жесткости соединения. В начале процесса разгрузки сила трения имеет нулевое значение и участок вк соответствует только жесткости бурильных труб. В точке к сила сжатия становится равной силе высвобождения муфты, и при дальнейшем уменьшении силы происходит относительное скольжение витков труб и муфты. При этом появляется сила трения обратного знака. Жесткость соединения уменьшается. Участок аг соответствует неупругой деформации соединения. При нагружении соединения растягивающей силой происходит растяжение муфты, сила трения в контакте витков увеличивается, и жесткость соединения также растет (участок гд). В точке д сила неупругого сопротивления достигает положительного максимума. При смене знака появляется участок де, когда в соединении довольно малы относительные перемещения. Причем этот участок тем меньше, чем жестче упругий элемент, соединяющий бурильные трубы, то есть чем жестче контакты витков резьбы труб и муфты. Дальнейшее уменьшение растягивающей силы приводит к возникновению значительных сил трения FHC в резьбе. В точке ж растягивающая сила равна нулю. После цикла растяжения наблюдается неупругая деформация соединения на участке жа. В последующем цикле сжатия на участке жб жесткость значительно ниже первоначальной жесткости участка аб вследствие того, что бурильные трубы проходят путь жб при смене знака трения в резьбе. Дальнейшее нагружение соединения (кривая бвкг) совпадает с начальной кривой нагружения. Цикл заканчивается.
Разработка метода инженерного расчета распространения продольных волн по буровому инструменту
Важным результатом деятельности многих ученых, занимающихся исследованиями волновых процессов в буровом инструменте, является разработанный метод расчета ударных систем, включающих боек, волновод и ГП. Вопросами создания метода расчета занимались О.Д. Алимов, В.Д. Андреев, В.Э. Еремьянц, В.К. Манжосов, И.Г. Шелковников, К.И. Иванов, В.А. Латышев, В.Д. Андреев, Г.М. Кашкаров, С.Г. Пучинян и др. [5, 12,41,47,75, 124]. Аналитические решения задач расчета ударных систем с бойками разной формы связано с громоздкими формулами, а в ряде случаев получить такое решение практически невозможно. В связи с этим перспективным является развитие численных методов расчета [34]. Одним из таких методов является графодинамический метод, успешно используемый при расчете многоступенчатых ударных систем. Предлагаемый в работе О.Д. Алимова, В.К. Манжосова, В.Э. Еремьянца [5] численный метод расчета позволяет оперативно и с достаточной для инженерной практики точностью проводить расчет и анализ ударных систем с элементами сложной криволинейной конфигурации.
Пример расчета и анализ ударных систем с бойками различной формы, выполненный с использованием предлагаемого метода, показал, что в исследованном диапазоне параметров бойков их длина оказывает большее влияние на эффективность передачи энергии удара в ГП, чем форма. В работе И.Г. Шелковникова [124] приведён метод расчета напряжений и формы ударного импульса в буровых инструментах. Чтобы разница между амплитудами напряжения в теоретических и экспериментальных волнах не превышала нескольких процентов, отношение длины волны к диаметру штанги должно быть не менее 4 - 8 [134]. Таким образом, если эти условия выполняются, расчеты в инженерно-буровой практике можно проводить по формулам элементарной теории продольного удара. В первую очередь необходимо рассчитать форму и размеры волны напряжения, передающей энергию удара от поршня ударника к ПРИ. В предложенном И.Г. Шелковниковым методе расчеты выполняются также с помощью графодинамического метода. Автором рассмотрено несколько случаев построения импульсов напряжения, наиболее часто встречающихся в практике бурения шпуров и скважин: поршень-ударник одинакового с бурильной трубой поперечного сечения и акустической жесткостью, поршень-ударник с большим, чем у трубы, поперечным сечением и акустической жесткостью, поршень-ударник сложной конфигурации, ударник конической формы. В работе [41] приведены расчеты, связанные с распространением волн напряжений в системе "ударник - хвостовик - буровая штанга".
Основное внимание уделено расчету внешнего цикла машин ударного действия, т.е. генерации силового импульса и его прохождению по буровому инструменту на основе графодинамического метода. Расчет сводится к определению сил, напряжений и энергии в элементах ударных систем, состоящих из поршня, хвостовика и трубы (штанги). Элементы представляют собой стержни переменного сечения, а система -единое целое, т.е. не размыкается во время прохождения силового импульса [б]. Сила, возникающая в стержне при ударе, где S - площадь сечения стержня; Е - модуль упругости материала стержней. Энергия импульса W = —-at, где а - напряжение в стержнях при деформации є. При переменном значении v(t), зависящем от времени t, В случае соударения стержней разного поперечного сечения необходимо определять коэффициенты прохождения и отражения силы (2.27 -2.30). В работе [47] автор предлагает методику выбора рациональных параметров резьбового соединения, обеспечивающего максимальный коэффициент передачи энергии импульса и рекомендует применять ее при проектировании соединений буровых штанг для массового производства.
