Ф Л Шевченко - Ударные процессы при спуске и посадке на забой агрегата ртб - страница 1

Страницы:
1  2  3 

Шевченко Ф. П., Петтик Ю. В. / Наукові праці ДонНТУ. Серія «Прничо-геологічна». Вип.11(161). 2010 р. С. 169-175. УДК 622.242:534-16

Ударные процессы при спуске и посадке на забой агрегата РТБ

Шевченко Ф. Л., Петтик Ю. В.

Донецкий национальный политехнический университет, Донецк, Украина Поступила в редакцию 10.06.09, принята к печати 20.12.09.

Аннотация

В работе рассматриваются динамические процессы в бурильной колоне при ее спуске и посадке на забой. Расчеты основаны на волновой теории продольных колебаний систем с распределенными параметрами.

Ключевые слова: бурильная колона, колебания.

В угольной промышленности Украины для строительства шахтных стволов и вентиляционных скважин большого диаметра, в районе Донбасса, часто используют специальные способы проходки, которые связаны с бурением. Однако бурение, несмотря на многолетний опыт его применения, не позволяет до настоящего времени полностью раскрыть все свои потенциальные возможности.

Парк буровых установок единственного в СНГ специализированного предприятия ГХК ПШО «Спецшахтобурение» на 70 % состоит из агрегатов реактивно-турбинного бурения (РТБ), которые начали широко использоваться в бывшем СССР в конце 50-х, начале 60-х годах.

Опыт эксплуатации буровых установок показал, что их работа постоянно связана с авариями различной сложности. Одной из главных причин приводящих буровые установки к авариям и поломкам, являются динамические нагрузки, связанные непосредственно с бурением и спуско-подъемными операциями. Наиболее опасны продольные удары, которые связаны со спуском бурового агрегата РТБ и его встречей с забоем. Последствия ударных процессов, как правило, приводят к обрыву забойного агрегата (массой до 30-50 т) и потерей его на забое. При этом, ликвидация аварий, подъем бурового агрегата и его ремонт могут занимать значительное время - от нескольких дней до нескольких месяцев, что приводит к значительным материальным затратам, срыву ввода ствола или скважины в эксплуатацию, задержку пуска новых лав на шахтах и, как следствие, снижение угледобычи горными предприятиями.

Поэтому, исследование ударных процессов при посадке бурового агрегата на забой, его спуске, когда возможна внезапная задержка агрегата в каверне или уступе ствола, а затем его срыв с препятствия, и разработка практических рекомендаций по учету этого явления и его предупреждение за счет обоснованных технологических режимов, является весьма важной и актуальной задачей.

В монографиях [1-3], посвященных вопросам бурения нефтяных и газовых скважин, авторами указывается на необходимость проведения фундаментальных исследований динамики буровых установок, как систем с распределенными параметрами и дискретными массами. Однако, комплексной практической реализации таких расчетов за исключением работы [4], посвященной динамике бурильных колонн роторных буровых установок, на настоящий момент не имеется.

Многие авторы, изучавшие динамические процессы в буровых установках подчеркивают, что в связи со сложностью и малой достоверностью экспериментальных

E-mail: ttgr@pop.dgtu.donetsk.uaисследований в реальных условиях, на первое место выходят теоретические исследования с использованием уравнений математической физики и компьютерных технологий [4-8].

Целью данной работы является изучение динамических процессов, протекающих при спуске БС и его посадке на забой, как системы с распределенными параметрами и дискретными массами, и разработка на их базе практических рекомендаций для спуска БС для буровых участков специализированных шахтопроходческих предприятий.

При реактивно-турбинном бурении породу разрушают с помощью забойного агрегата, состоящего из двух, трех или четырех, параллельно работающих и жестко соединенных между собой турбобуров с долотами. Для бурения скважин большого диаметра широко используют реактивно-турбинные агрегаты конструкции ВНИИБТ: РТБ-2600, РТБ-3000, РТБ-3200 и др. Конструкция агрегата РТБ-3200, его основные элементы, определяющие параметры собственных колебаний бурового става рассмотрены в работе [8].

Спуск и подъем бурильной колонны агрегатов РТБ имеет место после каждых 8-20 часов бурения, для замены отработанных долот. При спуске бурильная колонна движется со

скоростью v до встречи с забоем. Если скорость v будет больше допустимой, то возможны разрушения бурового става от потери прочности или устойчивости.

На рис. 1 приведена расчетная схема бурильной колонны, где обозначены: m - погонная масса бурильной колонны;   С0 - жесткость талевой

системы; С - жесткость турбобуров; М - масса агрегата с утяжелителями.

Заметим, что из расчетной схемы исключена масса трехшарошечных долот, которую не нужно учитывать в динамических процессах после ее касания с забоем.

Так как статическое напряженное состояние можно рассматривать независимо от динамического, то рассмотрим лишь динамические процессы в бурильной колонне.

Решение волнового уравнения

N (l) = EFu'(l)

-лад

2 2

д u(x, t)    2 д u(x, t) _ q(x, t) dx2

dt2

m

Рис. 1. Расчетная схема буровой установки РТБ

описывающего перемещения поперечных сечений бурильной колонны в динамике можно представить в начальных параметрах [9]

u (x, t )= X

uon cos knx +

N,

knEF

sin knx

sin( G> nt + Ц n )

где (0n - частота собственных колебаний n-й гармоники, Ю = kn а = kn

EF

m

волновые числа; а - скорость движения волны деформации; E - модуль Юнга; F - площадь

поперечного сечения стержня трубы.

Так как внутреннее усилие в начале координат No = couo , то уравнение перемещений сечений для произвольной гармоники принимает вид

u(x) = u)(coskx + С° sin kx) = u0(coskx + — ■ sinkx) = u0X(x),

kEF X

c0

(1)где С0 = EF

Дифференцированием (1) получаем уравнение внутренних усилий в бурильной трубе

N(x) = EFu'(x) = EFku0 (- sin kx + cos kx) .

X

При этом сила инерции колеблющейся массы составит

2 k2 EF С0

Pu = -Mu(l) = Mffl2u(l) = M-u(l) = EXkEFu0(cos X + —sin X), X = kl.

m X

Условие равновесия массы M    N(l) = Pu - R ,   с учетом реакции забоя R = cu(l) имеет вид

EFu0^ = EFu0(^X-X)X(l), c = EF, (2) dx X EF

где    X(l) = cos kl + 00 sin kl  - собственная функция. С учетом значения    X(l) X

уравнение (2) можно записать в виде

EFk (- sin X + '"X^cos X) = (EFkEX- c)(cos X + c^sin X)

или

- sinX + cosX = (EX-c)cosX + c0X-c)sinX. (3) X X X X

После преобразование из уравнения (3) получаем частотное уравнение

tgX = X 2 c0 +c-EX2      . (4) X (1 + Ec0) - c0 + c

С учетом того, что производная от собственной функции будет иметь вид

dX (x) = -k sin kx + kc^cos kx = k (- sin kx + c0cos kx) = k dX (x) = kX'(z), dx X X d (z)

условие равновесие массы   M с учетом (2) приведет к зависимости

^ = (k 2El -X) X (l).

dx X

С учетом этой производной рассмотрим зависимость, позволяющую найти весовую функцию [9]

(kn km )f

km jf Xn(x)Xm(x)dx = Xn(l)X'm(l) - Xm(l)К(l) - Xn(0)Xm(0) + Xm(0)К(0), 0

или

k« - km )f Xn (x)Xm(x)dx =Xn (l)Xm (l) km^l-X^|-Xm (f)Xn (l)

.2 і

V

0

" km X     + kn X   = (km - kn \lXn (l)Xm Xm Xn

.е.

l

f Xn (x)Xm (x)dx = - ElXn (l) Xm (l) . 0

Теперь по известной формуле [9] находим весовую функцию

l

f Xn ( x) Xm ( x)dx

p( x) = 1 - 0--5( x -1) = 1 + El5( x -1)

Xn(l)Xm(l)

l

где 8(x -1) - дельта функция Дирака, характерна тем, что f 8(x -1) f (x)dx = f (l) .

0

Из равенства (3) находим

c

-    sin X + (EX--)cos X

X    cos X- (EX- c )sin X

X

Тогда собственные функции и их производные примут вид

dX( x)

X(x) = cos kx + a sin kx, -= - sin kx + a cos kx = X'(z). (6)

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Ф Л Шевченко - Ударные процессы при спуске и посадке на забой агрегата ртб

Ф Л Шевченко - Устойчивость ретрансляционной башни

Ф Л Шевченко - Эпюры перемещения сечений невесомых стержней при растяжении-сжатии

Ф Л Шевченко - Ловильные устройства для ликвидации аварий при проходке скважин дуровыми установками

Ф Л Шевченко - Методы расчета бурильных колонн на продольный удар