CC BY
21
Р 21
ІЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2 10СКВА.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000я-одая
Меньшенин, 2000
УАК 622.243.2
С.Е. Меньшенин
ВЗАИМОАЕЙСТВИЕ БУРОВОГО СТАВА И ГОЛОВНОГО СНАРЯАА С ГРУНТОМ ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ ПРОХОАКЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
Искривление скважины в процессе
углубки различно по направлению и по интенсивности. Интенсивность искривления зависит от диаметра скважины и става, а также длины пройденной скважины. Зависимости, описывающие устойчивость става в вертикальной и наклонной скважинах, не характеризуют с достаточной точностью его продольную устойчивость в горизонтальной скважине, так как не учитывают влияние ее стенок [1].
В данной работе рассматривается влияние на устойчивость става стенок скважины; местоположение точек контакта; величина прижимающих сил и их зависимость от физикомеханических свойств грунтов.
Для случая многопролётной цепи получим на основании работ Н.К. Снитко и И.Г. Бубкова следующие зависимости :
• число полуволн изогнутой оси става:
РЬ2 +7 Р 2 ь2-
16Ьп2(EJ)2
2п 2 ЕЗ
• значение изгибающего момента в сечении бурового става на гребне полуволны:
М = -
Рг
Я = -
реакция
М
скважины:
21
• предельное значение устойчивого коэффициента отпора: С = а ;
угол между двумя последователь-2гк.
ными пролётами: в п=
п-1
• где ЕЗ - жёсткость става при изгибе; Р - осевая нагрузка; Ь - длина става; I = Ь/п - длина полуволны изогнутой оси става; гк - кажущийся ра* 2 =А
ЕЗ
диус
скважины;
( 4п - 6)
а =----------- - характеристические
п -1
числа.
Таким образом , при расчете бурового става на устойчивость в горизонтальных и сильно наклонных скважинах следует обязательно учитывать наличие упругого основания. Применение при проходке скважин става, состоящего из жестких длинных компоновок, уменьшает интенсивность его искривления.
При отсутствии перекоса снаряда в скважине искривление невозможно. Исходя из этого предположения, функция Ф, учитывающая величину перекоса, может быть представлена в виде экспоненты: Ф=ТЙ, где Т - максимально возможная величина перекоса головного снаряда в скважине, которая учитывает конструкцию головного снаряда и сопротивляемость грунта разрушению в боковых стенках скважины; 8 - коэффициент, учитывающий степень воздействия параметров, влияющих на искривление (плотность, прочность грунтов и т.д.) .
Величина возможного угла перекоса определяется из выражения: г = (Вс-В^ ,
I
где Бе - диаметр скважины; Бк - диаметр коронки или головного снаряда; I
стенки
- длина головного снаряда; у - угол перекоса.
Данное уравнение описывает процесс искривления при бурении. Диаметр скважины и головного снаряда не совпадают, т.к. при вращении бурового става наблюдается его перекос и биение, а коронка подрезает стенки скважины .
Перекос оси снаряда относительно оси скважины при проколе не идентичен значению перекоса скважин при бурении. При проколе вращения нет, как и подрезания стенок снарядом, зазор между ними и корпусом минимальный.
Причины перекоса снаряда в скважине при ее проходке методом статического прокола и методом бурения - в неоднородности физикомеханических свойств грунтов, конструктивных особенностях става и головного снаряда, а также в погрешности при проведении работ. К последним относятся: наличие шарнирных компоновок, смещение осей головного снаряда и става, секций става между собой, погрешности в ориентации носовой части снаряда и т.д.
При взаимодействии головного снаряда с грунтом при проходке скважин методом прокола на став действует осевая нагрузка Р, развиваемая силовой домкратной установкой, а также динамическая составляющая этой нагрузки. Так как став не передаёт вращающего момента головному снаряду, то, в отличие от буровых ставов, он не подвержен воздействию центробежных сил, способных закручивать буровую колонну. При воздействии на став осевой нагрузки происходит изгиб и прижатие колонны к стенкам скважины. При этом осевая сила частично расходуется на преодоление сил трения, в точке контакта со стенкой скважины рассматриваются ее три составляющие -Рх , Ру, Р2. Составляющие Р и Рх прижимают головной снаряд к стенке скважины, и, если сумма этих сил превзойдет силы сопротивления грунта, то головной снаряд вдавливается в стенку скважины, теряя при этом усилие, необходимое для дальнейшего продвижения по заданной траектории.
Перекос снаряда при проколе происходит под воздействием переориентирования носовой части головного снаряда, наличия изгибающей силы и момента на гребне полуволны нагруженного осевой нагрузкой става, пре-
вышающих силы сопротивления стенок скважины. Головной снаряд после искривления продолжает двигаться по старой траектории за счет жесткости става и сил сопротивления грунта. При дальнейшем продвижении силы сопротивления возрастают и приводят к потере ставом устойчивости; изгиб становится необратимым и выведение става на заданную траекторию становится невозможным.
При переориентации носовой части или в силу неоднородности физико-механических свойств проходимых грунтов, первая секция головного снаряда в шарнирной компоновке потеряет соосность со второй секцией, и произойдет искривление скважины. Из условия вписываемости первой секции в русло скважины определяют величину максимально возможного перекоса головного снаряда. Оперативная переориентация носовой части, направленная на устранение перекоса, приводит лишь к частичному выравниванию траектории. Изогнутый головной снаряд разрушает стенки скважины в месте изгиба, ее диаметр становится больше диаметра снаряда. При дальнейшем продвижении став, изгибаясь вдоль оси трассы, опирается на разрушенные стенки, теряет устойчивость, вызывает повтор-
Рис. 1. Расчетная схема
ный перекос, повышая вероятность ухода с прямолинейной траектории. Исходя из этого, не рекомендуется применение шарнирных компоновок на прямолинейных скважинах; величина управляющего воздействия на носовую часть должна предусматривать плавный незначительный изгиб секций головного снаряда между собой [2]; контроль за продвижением по скважине должен быть непрерывным, а управление настолько оперативным, чтобы не допустить значительных перекосов [3].
Предполагается управление снарядом с помощью асимметричной головной части, вращающейся вокруг продольной оси снаряда при помощи привода, расположенного в его корпусе [4]. В качестве носовой части головного снаряда при статическом проколе применяются наконечники, имеющие форму клина. Процесс внедрения клина сопровождается образованием уплотненного ядра, отделение стружки от массива при проколе не
происходит. Интенсивность внедрения клина в грунт, энергоемкость разрушения и возможность защемления клина определяются углом заострения и формой клина [5]. Для анализа процессов взаимодействия клина с грунтом проведены экспериментальные исследования и аналитические расчеты объема вытесненного и уплотненного грунта при внедрении в него наконечников с различными геометрическими параметрами, что позволило определить зависимость осевого усилия от объемов вытесненного грунта и его физико-механических свойств.
Для определения оптимальных геометрических параметров головного снаряда, исходя из условия баланса сил, прилагаемых к нему в разрабатываемой скважине, и осевого усилия, необходимого для продвижения, предлагается математическая модель взаимодействия с грунтом, в которой процессы внедрения головного снаряда рассмотрены поэтапно, с изменением числа подвижных звеньев, взаимодействующих с грунтом. С учетом постоянства напорного усилия, это -один из вариантов применения метода сечений для решения задачи.
Модель позволяет вывести закономерности изменения основных усилий внедрения снаряда в грунт от положения снаряда в скважине. Силы сопротивления внедрению цилиндрического звена, расположенного у нулевой отметки скважины, постоянны и не зависят от глубины внедрения, а зависят лишь от его геометрических параметров, свойств проходимых грунтов, значения осевого усилия и
угла приложения его к снаряду. Потери осевого усилия на последующих звеньях связаны с числом полуволн изогнутой оси става и интенсивностью искривления.
При проведении расчетов приняты допущения: проходимые грунты однородны; расчетные схемы как частные случаи поведения головного снаряда рассмотрены совместно; головной снаряд отклоняется в сторону проявления эксцентриситета е.
Взаимодействие головного снаряда с грунтом при направленной проходке горизонтальной скважины
рассмотрим на примере расчетной схемы для общего случая движения снаряда (рис. 1). При появлении
эксцентриситета е головной снаряд прижимается к верхнему своду скважины и уходит с прямолинейной траектории. Итоговый график зависимости всех сил, прилагаемых к головному снаряду, от осевого усилия для рассмотренного случая представлен на рис. 1.
Значение осевого усилия, исходя из геометрических параметров носовой части головного снаряда и физико-механических свойств проходимых грунтов, определяется экспериментально.
При превышении сил сцепления грунта, рост значения сил, прилагаемых к головному снаряду, стабилизируется. Исходя из графика видно, что разворот головного снаряда происходит в основном от действия сил Р1 и Р3. При значительном эксцентриситете е действие этих сил может привести к необратимому изгибу
става и невозможности управления головным снарядом и дальнейшей прокладки скважины.
При незначительном эксцентриситете е возможно длительное прямолинейное движение головного снаряда,
т.к. в этом случае сила Р1 будет иметь малое численное значение по отношению к Р3, а сила Р4 и будет близка к нулю. Представленная расчетная схема движения снаряда позволит не только определить оптимальные его геометри-
ческие параметры, но и величину управляющего воздействия на носовую часть в зависимости от длины скважины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И., Направленное бурение разведочных скважин. стр. 153.
2. Калинин Э.В., Горбунов А.И., Меньшенин С.Е. Система по-
казателей для оценки эффективности установок управляемого бурения. Совершенствование машин и технологий в горнодобывающей промышленности и стройиндустрии: Тезисы докладов научнотехнической конференции ШИ НГТУ, апрель 1996 г. / Под ред. А. В. Чистякова; Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ,
1996 г. - С. 27-28.
3. Меньшенина Е.А., Меньшенин С.Е. Разработка функциональной схемы установки направленной проходки горизонтальных скважин с учетом траектории движения головного снаряда. Научно-
технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых Юга России. Сборн. науч. работ и докладов конференции ЮРО АГН, ШаО РАЕН, ЮРЦ РАЕН 2-3 июля 1998 г. Под общей редакцией А.Д. Мелькова, В.А. Матвеева. - Шахты: Изд-во ЮРО АГН, 1999 г. - С. 130-134.
4. Меньшенин С.Е., Горбунов А.Н. Алгоритм и техническая реализация измерения пространственного положения осей бурового снаряда. Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1994. - С. 166-177.
5. Суриков В.В. Механика разрушения мерзлых грунтов. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отд-ние, 1978 - 128 с., ил.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
МЕНЬШЕ~1
в:\С диска по работе в универе\01ЛВ_20\01ЛВ4_00\ВСЕ
С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат^\Мюго80й\ШаблоныШогта1Ло1т
8
Меньшенина
14.04.2000 15:59:00 4
04.12.2008 15:52:00 Таня
56 мин.
04.12.2008 16:36:00 3
1 647 (прибл.)
9 394 (прибл.)
