Буровые машины и механизмы

              

                   (6)

где: Мкр – крутящий момент, передаваемый бурильной колонне, Н*м;

        Wn – полярный момент сопротивления сечения бурильной            колонны, м ;

Крутящий  момент определяется по следующей формуле:

             

          (7)

где: Nб – мощность, затрачиваемая на процесс бурения, Вт;

       - угловая скорость вращения снаряда, с ;

Угловая скорость вращения снаряда определяется по следующей формуле:

                  

              (8)

где: n – частота вращения снаряда, об/мин;

Рекомендуемая частота вращения снаряда для  алмазного бурения с учетом того, что по условию диаметр скважины D = 59 мм., IX категория пород по буримости:

n = 800 об/мин по технической характеристике

Полярный  момент сопротивления сечения бурильной  колонны находим по формуле:

   

     (9)

где: D – наружный диаметр бурильной трубы, м (D = 0,0447м);

        d – внутренний диаметр бурильной трубы, м (d = 0,0375м);

Мощность  двигателя, расходуемая в процессе бурения, складывается из трех составляющих:

                      

                (10)

где: Nхв – мощность, расходуемая на холостое вращение колонны           бурильных труб в скважине, кВт;

       Nдоп – дополнительная мощность, расходуемая на вращение  сжатой          части бурильной колонны, которой создается осевая            нагрузка на породоразрушающий инструмент, кВт;

        Nзаб – мощность, расходуемая на забое скважины, кВт;

Мощность, расходуемая на вращение колонны  бурильных труб в скважине Nхв составляет основную долю от затрат мощности на бурение скважины.

   (11)

где: k1 – коэффициент, учитывающий влияние смазки в промывочной жидкости, k1 = 1,1;

k2 – коэффициент, учитывающий особенности стенок ствола         скважины, k2 = 1;

k3 – коэффициент, учитывающий тип соединения бурильных труб,        для соединения “труба в трубу” k3 = 1;

 k4 – коэффициент, учитывающий кривизну бурильных труб, k4 = 1;

- зазор между бурильными трубами  и стенками скважины, м;

= 2,5*10 м;

D – диаметр скважины, м; D = 0,059 м;

n – частота вращения, об/мин; n = 800 об/мин;

EJ – жесткость бурильных труб, Н*м ; Е = 2,0*10 Н/м ,

              J =

= 2,45*10 м ;   (12)

L – глубина скважины, м; L = 450 м;

q – масса 1 м бурильных труб, кг; q = 6,07;

- угол наклона скважины к  горизонту, градус; = ;

P – осевая нагрузка, Н; P =15,66 кН = 15660 Н.

Nхв = 1,1*1*1*1*(1,73*10

*(0,9+20*2,5*10 )* 0,059*(6,07/(2,0*10 *2,45*10 ) )*800 *450 *(1+0,44*cos87)+2*10 *2,5*10 *800*15660) = 27,68 кВт;

                    Nдоп = Nэ*(7,5*10

+1,2*10 *n), кВт;                    (13)

где: N_э = 30 кВт;

n – частота вращения, об/мин; n = 900об/мин.

Nдоп = 30*(7,5*10

+1,2*10 *800) = 5,13 кВт;

Nзаб = 2,67*10

*(µ0 + А* V)*(Dн + Dв)*р*n, кВт;

где: µ0 – коэффициент, характеризующий трение породоразрушающего инструмента о породу; µ0 = 0,05;

А – коэффициент, учитывающий физико-механические свойства   породы и характер ее разрушения; А = 2,4.

V – величина углубки коронки за один оборот, мм/об;

V = 1000*V/60*n = 16,7*V/n = 16,7*2,9/800 = 0,06 мм/об;

Dн и Dв – наружный и внутренний диаметр коронки, м;

Dн = 0,0595 м и Dв = 0,0364 м;

P – осевая нагрузка; P = 15,66кН = 15660Н;

n – частота вращения; n = 800об/мин.

Nзаб = 2,67*10

*(0,05 + 2,4*0,06)*(0,0595 + 0,0364)*15660*800 = 6,22 кВт;

Nб = 27,68 кВт + 5,13 кВт +6,22 кВт = 39,09 кВт;

Мкр = 39,09*10

/83,7 = 467,0 Н*м;

= 467,0/0,88*10 = 53,1 МПа;

1.3. Суммарная  мощность в верхней части колонны  рассчитывается по третьей теории  прочности:

                      

, МПа                        (14)

где: р – напряжение растяжение, МПа;

        – напряжение кручения, МПа;

= 850 МПа.

Условие выполняется, значит, бурильная колонна  подобрана правильно.

 

2. Расчет напряжений в нижней  части колонны.

2.1. Сжатая часть колонны передает осевую нагрузку породоразрушающему инструменту, вызывая напряжения сжатия, величину которых можно вычислить по формуле:

                                

= P/F, Па                                      (15)

где: Р  – осевая нагрузка на забое, Н; Р = 15,66 кН = 15660 Н;

       F – площадь опасного сечения колонны, м ; F = 7,51*10 м .

= 15660/(7,51*10 ) = 20,85 МПа.

Напряжения  сжатия не опасны для прочности колонны.

2.2. Вращающаяся  колонна под действием продольных  и поперечных сил приобретает  изогнутую волнообразную форму  и напряжение изгиба тем больше, чем меньше длина полуволны.

Напряжение  изгиба определяется по следующей формуле:

                           

                      (16)

где: f – стрела прогиба труб в скважине, м;

       l – длина полуволны прогиба, м.

Стрела  прогиба труб в скважине определяется по формуле:

                                  f = (Dc – D)/2, м                                (17)

где: Dc – диаметр скважины, м; Dc = 0,059;

        D – наружный диаметр бурильных труб, м; D = 0,0556м.

f = (0,059 – 0,0556)/2 = 0,002 м.

Длина полуволны  прогиба по всей длине сжатой и  растянутой части определяется по формуле  Г.М. Саркисова:

  (18)

где: – угловая скорость вращения снаряда, с ;

         z – длина рассматриваемого нулевого сечения, м;

         В растянутой части колонны  z принимается со знаком “+”, а в                    сжатой части со знаком “-”.

        +z – расстояние от устья скважины до нулевого сечения;

        -z – длина от забоя до нулевого сечения;

        EJ – жесткость бурильной трубы, Н*м; Е = 2,0*10 Н/м ,                     J =2,45*10 м ;

        g – ускорение свободного падения, м/с ; g = 9,8 м/с ;

        q – средневзвешенная масса 1 м трубы с учетом массы соединения,       кг q = 6,07 кг.

Длину растянутого  участка бурильной колонны находим  по формуле:

                                       z = L – lсж, м                                    (19)

где: L – глубина скважины, м;

       lсж – длина сжатого участка бурильной колонны, м;

z = 450 – 2,98 = 447,02 м

Для нижней части колонны z в формуле является длиной от забоя до нулевого сечения со знаком минус и будет равно по формуле длине сжатой части колонны, т.е. z = lсж = 2,98 м.

2.3. Суммарное  напряжение в нижней части  колонны вычисляется по формуле:

                  

              (20)

где: – напряжение сжатия, МПа;

        – напряжение изгиба, МПа;

Выбранная бурильная колонна проверяется  на запас статической прочности, как для верхнего, так и для  нижнего сечения:

                                

                            (21)

где: – предел текучести материала труб, МПа;

        = 850 МПа – для сплава изготовленных из марки стали –           40CrMnV6;

        – суммарное напряжение соответственно для верхнего и для             нижнего сечения бурильной колонны, МПа

n1 = (850/110,29) = 7,7 > 4,4

n2 = (850/108,65) = 7,8 > 4,4

Запас статической прочности составляет 7,7 для верхней части бурильной колонны, что больше 4,4, а для нижней части равен 7,8, что также больше 4,4. Полученные данные позволяют нам сделать вывод о том, что бурильные трубы гладкоствольные BQ с комплексом ССК изготовленные из марки стали – 40CrMnV6; имеют достаточную прочность для бурения скважины глубиной 450 м на породы IX категории крепости по буримости при диаметре скважины, равным 59 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет бурильной колонны на  выносливость.

3.1. На  выносливость расчет ведется  для нулевого сечения, так как  в нем возможны знакопеременные  нагрузки и в результате действия  инерционных сил.

При определении  напряжения изгиба пользуемся формулой:

                                 f = (Dc – D)/2, м                                     (22)

где: Dc – диаметр скважины, м; и

       Dc = 0,059 м.

      D – наружный диаметр бурильных труб, м;

       D = 0,0556м

f = (0,059 – 0,0556)/2 = 0,002 м

Длина полуволны  прогиба по всей длине сжатой и  растянутой части определяется по формуле  Г.М. Саркисова:

                  

             (23)

где: – угловая скорость вращения снаряда, с ;

        EJ – жесткость бурильной трубы Н*м; Е = 2,0*10 Н/м ,                    J = 2,45*10 м ;

        g – ускорение свободного падения, м/с ;

        g = 9,8 м/с ;

        q – средневзвешенная масса 1 м трубы с учетом массы соединения,       кг;

         q = 6,07 кг.

        z = 0.

Вычисляем напряжение изгиба для нулевого сечения:

                                

                           (24)

3.2. Напряжение  кручения вычисляем по формуле:  Па, но крутящий момент необходимо уменьшить. Ориентировочно он будет составлять 0,6-0,8 от крутящего момента у устья скважины.

Мкр = Мкр.у.устья*0,8 = 467*0,8 = 373,6 МПа

3.3. Запас  прочности по нормальным напряжениям  при  рассчитаем по формуле:

                                 

                           (25)

где: – предел выносливости труб при изгибе, Па

                                    

= (0,4...0,5)*                                (26)

где: – предел прочности стали 40CrMnV6;

        = 950МПа;

= 0,4*950 = 380МПа;

         КД – коэффициент, учитывающий динамический характер            нагрузки:

          КД = 1,5;

3.4. Запас  прочности по касательным напряжениям  вычисляется по формуле:

                                                                       (27)

где: – предел текучести при кручении, МПа;

        = 355 МПа;

        – напряжение кручения в нулевом сечении, МПа;

3.5. Суммарный  запас прочности в нулевом  сечении определяется по формуле:

                 

                 (28)

Суммарный запас прочности составляет 6,9 > 1,3, что означает, что колонна бурильных труб выдержит все касательные, нормальные и изгибающие нагрузки.

 

Заключение

Проведя расчеты колонны бурильные трубы  гладкоствольные BQ с комплексом ССК на прочность и жесткость в трех ее частях: верхней (растянутой), нижней (сжатой) и нулевом сечении, можно сделать вывод о том, что выбранная колонна удовлетворяет заданным условиям бурения. То есть при бурении скважины глубиной 450 м. на станке: BOART LONGYEAR: LM-75D в породах IX категории по буримости и диаметре скважины, равным 59 мм, колонна бурильных труб гладкоствольных с комплексом ССК способна со значительным запасом выдержать все касательные, нормальные и изгибающие нагрузки, действующие на нее в процессе бурения, что позволяет расширить возможности бурения.