Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони

Розглядається можливість підвищення ефективності доведення осьового навантаження на долото в умовах буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин та запобігання явищу прихоплення бурильної колони. Внаслідок наявності сил тертя між бурильною колоною та нижньою стінкою стовбура похило-скерован...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Datum:	2018
1. Verfasser:	Чернова, М.Є.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2018
Schlagworte:	Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144406
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони / М.Є. Чернова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 94-102. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-144406
record_format	dspace
spelling	Чернова, М.Є. 2018-12-22T16:11:25Z 2018-12-22T16:11:25Z 2018 Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони / М.Є. Чернова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 94-102. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144406 622.245 Розглядається можливість підвищення ефективності доведення осьового навантаження на долото в умовах буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин та запобігання явищу прихоплення бурильної колони. Внаслідок наявності сил тертя між бурильною колоною та нижньою стінкою стовбура похило-скерованої чи горизонтальної свердловини ускладнюється доведення ефективного осьового навантаження на породоруйнівний інструмент, що впливає на механічну швидкість буріння. Для зменшення сил тертя пропонується застосування полімерно-композиційних матеріалів (ПКМ) для покриття поверхні елементів бурильної колони. Наводиться методика та математичні моделі, за рахунок яких є можливим отримання ПКМ із наперед заданими фізико-механічними властивостями, які б задовольняли вимогам експлуатації бурильних колон під час буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин. Существование сил трения между бурильной колонной и нижней стенкой ствола наклонной и горизонтальной скважины препятствует подаче максимальной осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Это существенно влияет на механическую скорость бурения. Для уменьшения сил трения предлагается использование полимерно-композиционных материалов (ПКМ) для покрытия поверхности элементов бурильной колонны. Приводится методика и использование математического моделирования, за счет которых возможно получение ПКМ с определенными физико-механическими свойствами, удовлетворяющими условия эксплуатации бурильной колонны при бурении наклонных и горизонтальных скважин. We consider the possibility of improvement of the effectiveness of minimization of axial load on the drilling bit in the conditions of drilling of the directional and horizontal wells and prevention of sidewall sticking. As a result of friction forces between the drill string and the low side of directional or horizontal well, minimization of axial load on the rock destruction tool is complicated and it influences the speed of mechanical drilling. The use of polymer composite materials for coating of the surface of the drill string elements is suggested to decrease friction forces. We describe the technique and mathematical models that enable obtaining of the polymer composite materials with prescribed physical and mechanical properties that would satisfy the drill string exploitation requirements during drilling of the directional and horizontal wells. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони Application of polymer-composite materials for elements of burille column Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
spellingShingle	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони Чернова, М.Є. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
title_short	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
title_full	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
title_fullStr	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
title_full_unstemmed	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
title_sort	застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони
author	Чернова, М.Є.
author_facet	Чернова, М.Є.
topic	Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
topic_facet	Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения
publishDate	2018
language	Ukrainian
container_title	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
format	Article
title_alt	Application of polymer-composite materials for elements of burille column
description	Розглядається можливість підвищення ефективності доведення осьового навантаження на долото в умовах буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин та запобігання явищу прихоплення бурильної колони. Внаслідок наявності сил тертя між бурильною колоною та нижньою стінкою стовбура похило-скерованої чи горизонтальної свердловини ускладнюється доведення ефективного осьового навантаження на породоруйнівний інструмент, що впливає на механічну швидкість буріння. Для зменшення сил тертя пропонується застосування полімерно-композиційних матеріалів (ПКМ) для покриття поверхні елементів бурильної колони. Наводиться методика та математичні моделі, за рахунок яких є можливим отримання ПКМ із наперед заданими фізико-механічними властивостями, які б задовольняли вимогам експлуатації бурильних колон під час буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин. Существование сил трения между бурильной колонной и нижней стенкой ствола наклонной и горизонтальной скважины препятствует подаче максимальной осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Это существенно влияет на механическую скорость бурения. Для уменьшения сил трения предлагается использование полимерно-композиционных материалов (ПКМ) для покрытия поверхности элементов бурильной колонны. Приводится методика и использование математического моделирования, за счет которых возможно получение ПКМ с определенными физико-механическими свойствами, удовлетворяющими условия эксплуатации бурильной колонны при бурении наклонных и горизонтальных скважин. We consider the possibility of improvement of the effectiveness of minimization of axial load on the drilling bit in the conditions of drilling of the directional and horizontal wells and prevention of sidewall sticking. As a result of friction forces between the drill string and the low side of directional or horizontal well, minimization of axial load on the rock destruction tool is complicated and it influences the speed of mechanical drilling. The use of polymer composite materials for coating of the surface of the drill string elements is suggested to decrease friction forces. We describe the technique and mathematical models that enable obtaining of the polymer composite materials with prescribed physical and mechanical properties that would satisfy the drill string exploitation requirements during drilling of the directional and horizontal wells.
issn	2223-3938
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144406
citation_txt	Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони / М.Є. Чернова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 94-102. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT černovamê zastosuvanâpolímernokompozicíinihmateríalívdlâelementívburilʹnoíkoloni AT černovamê applicationofpolymercompositematerialsforelementsofburillecolumn
first_indexed	2025-11-26T08:25:57Z
last_indexed	2025-11-26T08:25:57Z
_version_	1850618464829440000
fulltext	Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 94 УДК 622.245 М. Є. Чернова, канд. техн. наук. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська ,15, e-mail: miracherri1@gmail.com ЗАСТОСУВАНЯ ПОЛІМЕРНО-КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ЕЛЕМЕНТІВ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ Розглядається можливість підвищення ефективності доведення осьового навантаження на долото в умовах буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин та запобігання явищу прихоплення бурильної колони. Внаслідок наявності сил тертя між бурильною колоною та нижньою стінкою стовбура похило-скерованої чи горизонтальної свердловини ускладнюється доведення ефективного осьового навантаження на породоруйнівний інструмент, що впливає на механічну швидкість буріння. Для зменшення сил тертя пропонується застосування полімерно-композиційних матеріалів (ПКМ) для покриття поверхні елементів бурильної колони. Наводиться методика та математичні моделі, за рахунок яких є можливим отримання ПКМ із наперед заданими фізико-механічними властивостями, які б задовольняли вимогам експлуатації бурильних колон під час буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин. Пропонується модель комплексного методу граничних елементів зі змішаною крайовою задачею для основного рівня стаціонарного поля і в якості контрольної моделі пропонується застосувати термодинамічний підхід на основі статистичного методу Монте-Карло. Таке поєднання дає можливість оцінити фізико-механічні властивості металополімерного покриття та правильно підібрати тип наповнювача для ПКМ, щоб повною мірою задовольнити вимоги щодо міцнісних характеристик покриття елементів бурильної колони та її поверхні для даних умов експлуатації і технологічного процесу. Ключові слова: полімерно-композиційні матеріали, бурильна колона, свердловина, промивальна рідина. Для забезпечення потреб держави в енергоносіях, зокрема нафти і газу, є необхідним постійний приріст об’ємів бурових робіт. Для цього зусилля спрямовуються на освоєння нових родовищ та інтенсифікацію розробки тих родовищ, які вже експлуатуються. Характерною особливістю нафтових і газових родовищ України є значна виснаженість основних запасів та наявність великої кількості залишкових запасів у тупикових і слабодренованих зонах нафтових облямівок газових покладів та водоплавних покладах нафти з низькопроникними колекторами. Для підвищення ефективності бурових робіт, спрямованих на збільшення видобутку нафти і газу, важливим є створення і впровадження нових технологій і технічних засобів. Найбільш ефективним методом підвищення видобутку вуглеводнів є будівництво похило- скерованих і горизонтальних свердловин. Під час будівництва похило-скерованих і горизонтальних свердловин бурильна колона, під дією сили тяжіння, притискається до нижньої стінки свердловини, утруднюється її відносний рух, а це призводить до суттєвого зростання сили опору поступальному рухові бурильної колони в напрямку вибою свердловини, що, в свою чергу, перешкоджає оптимальному доведенню осьового навантаження на долото. В кінцевому результаті понижуються показники роботи доліт, погіршується якість керування траєкторією свердловини. mailto:miracherri1@gmail.com РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 95 Зменшення сил тертя між бурильною колоною і нижньою стінкою стовбура свердловини та покращення передачі осьового навантаження на породоруйнівний інструмент можна здійснити внаслідок покриття зовнішніх поверхонь елементів бурильної колони полімерно-композиційними матеріалами. Полімерне покриття може застосовуватися у вигляді тонкого шару, який наноситься на обезжирену металеву поверхню за допомогою обраного способу і технології. Товщина покривного шару становить 0,3–0,7 мм. Полімерне покриття може наноситись за допомогою сумішей, що полімеризуються, розплавів та дрібнодисперсних порошків. Використання спеціальних емульсій дає можливість створювати полімерне покриття з таких матеріалів, які самі по собі не можуть утворювати міцного адгезійного з’єднання з металом. Зокрема такими є фторопласти, які мають відмінні механічні властивості щодо коефіцієнту тертя, модуля Юнга, коефіцієнта Пуассона, але самі по собі володіють низькою адгезійною здатністю. Тому для покриття металевих поверхонь, таких як елементи КНБК та зовнішня поверхня бурильних труб, фторопласти доцільно застосовувати в суміші з іншими речовинами, які не погіршують фізико-механічних властивостей полімерного покриття. Завдяки своїм високим антифрикційним властивостям досить широкого застосування набув політетрафторетилен (Ф4). Цей полімер відноситься до термопластів, але в розплавленому вигляді має малу текучість, тому його переробка є утрудненою. Головною перевагою Ф4 є те, що він володіє найнижчим з усіх відомих полімерів коефіцієнтом тертя. Окрім того Ф4 володіє дуже низьким водо поглинанням – менше 0,01%. Здатність Ф4 до значної деформації виключає можливість його використання у вигляді товстостінних втулок, але те що є негативним для одного напрямку застосування, є позитивним для іншого. Більшість полімерів є хімічно стійкими окрім своїх розчинників, фторопласти ж є стійкими як до всіх відомих кислот, так і сильних окислювачів та розчинників. Фторопласти володіють високими діелектричними характеристиками в широкому інтервалі частот, малою пористістю, феноменальною інертністю. Фторопласти відносяться до кристалічних полімерів. Але конкретної температури кристалізації не мають, існує лише інтервал кристалізації, зокрема для Ф4 цей інтервал знаходиться в діапазоні 350÷260ºС. Міцнісні характеристики фторопластів досить високі, зокрема міцність на розрив сягає 30 МПа, відносне видовження на розрив становить 250 %. Фторопластові полімери виготовлялися на ВО «Хлорвініл», на даний час виготовляються нафтопереробними заводами у вигляді порошку з розміром часток 50–500 мкм, а в емульсії – 0,25 мкм. Є можливим застосування наповнених матеріалів на основі фторопласту Ф4, які містять графіт, кокс, двосірковий молібден, металеві порошки, скловолокно та інші наповнювачі, що забезпечує підвищення тих чи інших фізико-механічних характеристик таких як твердість, зносостійкість, зниження деформації під навантаженням, зниження коефіцієнта термічного розширення, підвищення модуля пружності, міцності на стиск та інше. Фізико-механічні властивості чистого Ф4 наведено в табл.1. Таблиця 1. Фізико-механічні властивості фторопласта марки Ф4 №п\п Показники Ф4 1 2 3 1 Густина, кг/м3 2120-2200 2 Руйнівне напруження при розтягу, МПа 14,7-34,5 3 Відносне видовження при розриві, % 250-500 4 Модуль пружності за стиску, МПа 686,5 Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 96 Продовження таблиці 1 1 2 3 5 Модуль пружності за розтягу, МПа 410 6 Твердість (за Бринелем), МПа 29,4–39,2 7 Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К) 0,25 8 Питома теплоємність, кДж/(кг×К) 1,04 9 Теплостійкість (за Віка') 110 10 Водопоглинення (за добу), % 0,00 За вищої температури ніж температура розкладання (415ºС) Ф4 не переходить у в'язкотекучий стан, за температури розплавлення біля 370ºС в’язкість становить ~ 1011 Па·с. Застосування композиційних матеріалів в якості покриття вимагає проведення експериментальних і теоретичних досліджень з метою визначення їх фізико-маханічних властивостей, оцінки роботоздатності, міцності, зносостійкості. Композиційні матеріали (КМ), зокрема на основі Ф4, це складні гетерогенні структури, утворені комбінацією армуючих елементів та ізотропного середовища. Матриця забезпечує монолітність КМ, фіксує форму і взаємне розміщення армуючих елементів. Матеріал матриці визначає метод створення покриття, рівень робочих температур композиту, характер зміни властивостей за впливу різних чинників. Наповнювачі в загальному випадку спричинюють зміну ефективних пружних та деформівно-міцнісних характеристик отриманого матеріалу. Метою таких модифікацій є отримання певних фізико- механічних властивостей покриття для даних умов експлуатації. Найбільш важливими параметрами, які контролюються є деформівно-міцнісні, до складу яких входять: модуль пружності, гранична деформація руйнування на розтяг, межа текучості, зношуваність на час та на шлях. Методи дослідження КМ є дуже різноманітними, вони суттєво відрізняються від підходів класичної механіки, де тіло (зразок) вважається однорідним. Для високоенергетичних матеріалів, якими є композити на полімерній основі у фізичних моделях використовується структурно-механічний, мезоскопічний, мікроструктурний та інші підходи. Мають важливе значення розміри включень (наповнювачів), оскільки вони суттєво впливають на механічні властивості покриття: більші роблять матеріал більш податливим, менші – жорсткішим. З якісної точки зору це пояснюється тим, що включення можуть ставати концентраторами напружень. Але в роботі [3] на основі проведеної оцінки форм і розміщень включень наголошується, що зміну міцнісних характеристик КМ викликають включення, які орієнтуються в певному напрямку, розорієнтовані (розміщені хаотично) включення характеризують анізотропію міцнісних характеристик. Одним з основних параметрів, що визначає деформівно-міцнісні характеристики КМ та можливість застосування в якості покриття елементів бурильної колони і її стінок є рівень адгезії. Адгезія зумовлюється тими самими причинами, що й адсорбція. Кількісною характеристикою адгезії є робота, необхідна для роз’єднання тіл і залежить від того, яким чином цей процес буде відбуватися: шляхом зсуву вздовж поверхні поділу чи відривом у напрямку, який є перпендикулярним до поверхні. Адгезія інколи є більшою, ніж когезія, що характеризує сили зчеплення часток всередині тіла. У цьому випадку розрив відбувається когезійно – всередині найменш міцного з дотичних тіл. Для моделювання фізичних процесів у тілах з композиційних матеріалів доцільним є застосування комплексного методу граничних елементів [4,5] для розв’язування задач теорії потенціалу, ускладнених наявністю в однорідних тілах системи неоднорідних включень, якими в ПКМ є наповнювачі, наприклад порошок міді, графіту та інші. Розглядається РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 97 змішана крайова задача для основного рівняння стаціонарного поля в однозв’язній області за умови, що характеристики системи (середовища) є неперервною функцією, сталою скрізь у цій області, за винятком скінченої сукупності під областей, де існує залежність від координат. Отже, характеристики середовища )(z стосовно певного фізичного процесу, модельованого потенціалом безвихрового векторного поля є неперервною функцією декартових координат ),( yxz  , сталою скрізь у плоскій однозв’язній області  з простим замкнутим краєм 21  , за винятком скінченої сукупності локальних неоднорідних включень k        Klkkl lk k ,1,,,  . Змішана крайова задача для основного рівняння стаціонарного поля в локальнонеоднорідному середовищі записується:   ,,0)()(  zzgradzdiv  (1) ,),( )( )(,),()( 21     zzq n z zzzpz  (2) де ),()()(1)( 1    zzzaz K k kkk (3) )(zk – якісна характеристика середовища в  Kkk ,1 , для якої 0)(  zk , ,1)(  zmax k ;0\|)(  kzk z )(zk – характеристична функція області k ; 1 kk consta . З врахуванням (3), крайова задача за [5] матиме вигляд:     K k kkk Ba 1 2 в  , (4) p на 1 ; q n     на 2 , (5) де k k k [ ] B ; 1 a        – оператор Гамільтона. За умови, що апроксимація ̂ функції розв’язку  задачі (4) і (5) в області кожної з локальних неоднорідностей k є відомою, за виведенням в [5], розв’язок  отриманої крайової задачі трактуватиметься:   k K k kk Ba   1 2 ˆ в  ; (6) p на 1 ; q n     на 2 (7) як аналог розв’язку вихідної задачі. Далі розв’язок задачі (6) і (7) згідно [5] зображується у вигляді:  ,ˆ,)()( 1    K k k zPzuz (8) де k k k k k a 1ˆ ˆP z, ln B d ( ) 2 z               ; (9) )(zu – розв’язок задачі для рівняння Лапласа з видозміненими крайовими умовами: Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 98 02  u в  ; (10)   k k zPpu ̂, на 1 ,     k k zQq n u ̂, на 2 (11) де k k ˆ ˆQ z, P z, n            . Шуканий розв’язок задачі (10), (11) інтегрується як wu Re згідно [5], де )()()( zivzuzww  - аналітична в  функція комплексної змінної iyxz  , причому потенціал u та функція потоку v є гармонійними в  . Беручи до уваги, що s v n u       , де s  - одиничний додатноорієнтований (проти стрілки годинника) вектор, дотичний до  , переходимо до розв’язування такої крайової задачі: 0)(2  zu в  , (12)    k k zPzpzu ˆ,)()( на 1 ; (13)      k k zQzq zs zv ˆ,)( )( )(  на 2 . (14) Для довільної точки z заданої однозв’язної області  з простим замкнутим додатноорієнтованим краєм  справедлива інтегральна формула Коші:         , )( 2 1 )( d z w i zw (15) на основі якої є справедливою дискретизація  послідовністю N граничних елементів n (для яких n l n  1  апроксимує 1 , а n N ln   1  – 2 ), при моделюванні кожного з елементів за допомогою вектора   базових інтерполюючих функцій, пов’язаних з локальною нормалізованою координатою  . Уздовж кожного з елементів апроксимується w інтерполяційним поліномом [5]: n T ww   )()( , (16) де nw  – вектор невідомих вузлових значень w . Кожна з областей k дискретизується системою ермітових чотирикутних елементів  kkm Mm ,1 і ̂ представляється пробною функцією [5]: km T   )(),(ˆ 2,121 , (17) де km  – вектор невідомих вузлових значень функції ̂ , значень її перших та змішаних похідних на елементі km ,   – вектор базових функцій у локальній системі координат )( 21 . З урахуванням (16) дискретний аналог (15) набуває вигляду:        N n n T wd i zw 1 )( )( 2 1 )(ˆ   . (18) Враховуючи (17), kP (як і kQ ) записується: РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 99     km T kk zPzP   )(,ˆ, 21 , де   21 2 1 1 2 2 2 1 1 )( )( 1 ln 2                ddB z a P mmmm k k k km  . Система рівнянь для визначення вузлових значень будується за методом зважених нев'язок, що вводяться як для крайових умов, так і для областей локальних включень у матричній формі, за умови використання непрямого формулювання методу граничних елементів, буде мати вигляд:                                                          0 0 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ~ ... ~~~~~ ~ ... ~~~~~ ... ... 1 1 2121 111 2 1 1 1 2 1 1 1 1 2121 1 2121    u v q и р TTUUUU TTUUUU TTUUUU GGVVVV K КKКvКvКuКuК Kvvuu Kvvuu Kvvuu , (19) де vu K ˆ,ˆ...,ˆ,ˆ 1  – вектори невідомих вузлових значень, відповідно, потенціалу на дискретному аналізі 2 , дискретних аналогах областей K ,...,1 , а також невідомі вузлові значення функцій потоку на дискретному аналізі 1 краю області  . Блоки ),( vujV i j  , ),1( KkGk  – суми внесків, відповідно, дискретного аналога потенціалу і потоку на )2,1(  ii , а також в k для уявної частини ŵ на 1 . Блоки ),( vujU i j  , ),1( KkTk  – суми внесків, відповідно, аналога потенціалу і потоку на )2,1(  ii , а також в k для дійсної частини ŵ на 2 . Блоки ),( ~ vujU i jl  , ),1,( ~ KlkTlk  – суми внесків, відповідно, дискретного аналога потенціалу і потоку на )2,1(  ii , а також в k для дійсної частини ŵ на k . У довільній точці z дискретного аналога області  значення потенціалу та функції потоку знаходяться з допомогою формули (18), користуючись розв’язком (19). Дослідження кінетичної теорії високоеластичності полімерів, що застосовуються для вирішення вищезгаданих проблем свідчать, що під час деформації вони проявляють пружність, природа якої є подібною до пружності газів. Як і стиск газу, так і розтяг ПКМ супроводжується опором розтягу зразка. «Модуль пружності» газу і рівноважний модуль еластичності зростають пропорційно до температури (з підвищенням температури зростає інтенсивність теплового руху і зростає опір деформації). Але у газів міжмолекулярна взаємодія є незначною, а у ПКМ – значною. Під час деформації газів змінюється об’єм (зменшується віддаль між молекулами), а під час деформації ПКМ об’єм не змінюється. Під час деформації ПКМ змінюється ступінь закрученості макромолекул, що переводить їх із більш ймовірного стану у менш ймовірний стан. Після припинення дії навантаження полімерні ланцюги з плином часу самовільно під дією теплового руху повертаються у початковий стан. Розвиток кінетичної теорії високоеластичності дало можливість кількісно зв’язати рівноважні пружні властивості ідеальних сіток з їх структурними параметрами. В теорії Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 100 ідеальна полімерна сітка розглядається як просторова структура, утворена полімерними ланцюгами, які з’єднуються між собою вузлами. Такий підхід дає можливість, застосовуючи метод Монте-Карло, отримати розподіл ймовірних значень змінних величин від яких залежить результат який очікується, тобто за рахунок чого можна отримати, в нашому випадку, підвищення адгезії, підвищення міцнісних характеристик ПКМ, отримати картину про розподіл навантажень, які може витримувати покриття на поверхні елементів бурильної колони в процесі експлуатації в умовах будівництва похило-скерованих та горизонтальних свердловин. Моделювання за методом Монте-Карло дає можливість бачити які саме вихідні дані мають найбільший вплив на кінцевий результат, оскільки це є важливим для подальшого аналізу результатів, та скеровування напрямку проведення подальших досліджень. Для проведення розрахунків застосовується програма @RISK в Microsoft Excel на базі операційної системи DOS. Висновки 1. Одним з напрямків підвищення ефективності буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин є застосування полімерно-композиційних матеріалів (ПКМ) для покриття поверхні елементів бурильної колони. 2. Вибір типу ПКМ залежить від гірничо-геологічних властивостей породи, в якій проводиться буріння. 3. Високими антифрикційними властивостями та найменшим значенням коефіцієнта тертя володіє ПКМ на основі Ф-4. 4. Для моделювання фізичних процесів у тілах з полімерно-композиційних матеріалів доцільним є застосування комплексного методу граничних елементів, де розглядається змішана крайова задача для основного рівняння стаціонарного поля, що дає можливість розрахувати міцнісні характеристики матеріалу, та вибрати тип наповнювача ПКМ для покриття поверхні елементів бурильної колони. 5. Процес високоеластичної деформації ПКМ моделюється термодинамічним методом та статистичним методом Монте-Карло теорії ймовірності, що дає можливість оцінити правильність обраного ПКМ, і коригуючи вихідні дані, визначити оптимальні параметри наповнювача. Существование сил трения между бурильной колонной и нижней стенкой ствола наклонной и горизонтальной скважины препятствует подаче максимальной осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Это существенно влияет на механическую скорость бурения. Для уменьшения сил трения предлагается использование полимерно-композиционных материалов (ПКМ) для покрытия поверхности элементов бурильной колонны. Приводится методика и использование математического моделирования, за счет которых возможно получение ПКМ с определенными физико-механическими свойствами, удовлетворяющими условия эксплуатации бурильной колонны при бурении наклонных и горизонтальных скважин. Предлагается модель комплексного метода граничных элементов со смешанной краевой задачей для основного уравнения стационарного поля и в качестве контрольной модели предлагается использовать термодинамический подход на базе статистического метода Монте-Карло. Такое сочетание даст возможность оценить физико-механические свойства металлополимерного покрытия и правильно подобрать наполнитель для ПКМ, чтобы полностью удовлетворить требования прочностных характеристик покрытия элементов бурильной колонны и ее поверхности для определенных условий эксплуатации и технологического процесса. Ключевые слова: полимерно-композиционные материалы, бурильная колонна, скважина, промывочная жидкость. http://www.palisade.com/risk/ РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 101 M. Ye. Chernova APPLICATION OF POLYMER-COMPOSITE MATERIALS FOR ELEMENTS OF BURILLE COLUMN We consider the possibility of improvement of the effectiveness of minimization of axial load on the drilling bit in the conditions of drilling of the directional and horizontal wells and prevention of sidewall sticking. As a result of friction forces between the drill string and the low side of directional or horizontal well, minimization of axial load on the rock destruction tool is complicated and it influences the speed of mechanical drilling. The use of polymer composite materials for coating of the surface of the drill string elements is suggested to decrease friction forces. We describe the technique and mathematical models that enable obtaining of the polymer composite materials with prescribed physical and mechanical properties that would satisfy the drill string exploitation requirements during drilling of the directional and horizontal wells. The model of complex method of boundary elements with mixed boundary value problem is proposed for the main level of stationary field and thermodynamically approach based on Monte-Carlo statistics method is proposed as a control model. Such a combination enables evaluation of physical and mechanical properties of metallopolymeric coating and proper selection of the filler for polymer composite materials in order to fully satisfy the requirements set forth to strength characteristics of the coating elements of the drill string and its surface under existing conditions of exploitation and technological process. Key words: polymer composite materials, drill string, well, washing liquid Література 1. Чернова М. Є. Вплив низькочастотних коливань на динаміку бурильної колони // Сб. науч. трудов «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения» НАН Украины Инст.им. В.Н.Бакуля. Київ, 2013. – Вип. 16, – С.197-201. 2. Стадухин Я. В. Исследования и разработка технологии применения смазочных реагентов для бурения наклонно направленных скважин с горизонтальным окончанием. Технология бурения и освоения скважин. // Я.В.Стадухин// Тюмень, – 2006. – 114 с. 3. Кудрин А. Б. Деформации и напряжения в деталях из ПКМ. //А.Б.Кудрин// Москва. Машиностроение, – 1987. – 336 с. 4. Гришаева Н. Ю. Прямые и обратные задачи конструирования наполненных полимерных композиций с учетом влияния адгезии на эффективные деформационно- прочностные характеристики. //Н. Ю.Гришаева// Томск, 2005. – 126 с. 5. Гудз Р., Петльований А. Комплексний метод граничних елементів при моделюванні фізичних процесів у тілах з композиційних матеріалів // Р. Гудз, А. Петльований// Вісник Львів. ун-ту. Сер. прикл. матем. інформ. 2003. – Вип. 7. – С. 148-155. Надійшла 19.06.18 References 1. Chernova M. Ye. (2013).Vplyv nizkochastotnyh kolyvan na dynamiku burilnoyi kolony [Influence of low frequency oscillations on dynamics of a drill column]. Porodorazrushaiushchii i metalloobrabatyvaiushchii instrument – tehnologiia ego izgotovlenia i primenenia: sbornik nauchnykh trudov - Rock-cutting and metal-cutter instrument - technical and technology of its manufacture and application: collection of scientific paper, 16, (pp.197-201). Kiev: [in Ukrainian]. 2. Staduhin Ya. V. (2006). Issledovaniie i razrabotka tehnologii primeneniia smazochnyh reagentov dlia bureniia naklonno napravlenyh skvajin s gorizontalnym okonchaniiem. [Research and development of technology for the use of lubricant reagents for the drilling of sloping directed wells with a horizontal ending].Tehnologiia bureniia i osvoeniia skvajin. – Well drilling and development technology. Tiumen: [in Russian]. 3. Kydrin A. B. (1987). DeformatsiiinapriazheniiavdetaliahizPCM [Deformations and stresses in parts made of polymeric composite materials] Moskva: Mashinostroieniie [in Russian]. Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 102 4. Grishaieva N. Yu. (2005). Priamyie I obratnye zadachi konstruirovaniia napolnenyh polimernykh kompozitsii s uchetom vliianiia adgezii na efektivnyie deformatsionno-prochnostnyie harakteristiki [Direct and inverse problems of the construction of filled polymer compositions, taking into account the influence of adhesion on effective deformation strength properties] . Tomsk [in Russian]. 5. Gudz R., Petliovanyi A. (2003). Kompleksnyi metod granychnykh elementiv pry modeliuvanni fizychnykh protsesiv u tilakh z kompozytsiinykh materialiv [Complex method of boundary elements in the simulation of physical processes in bodies of composite materials]. Visnyk Lvivskogo universytetu. - Visnyk of Lviv University,7,148-155.[in Ukrainian]. УДК: 622.248.33 А. К. Судаков, д-р техн. наук, Ю. Л. Кузин, канд. техн. наук, Д. А. Судакова, асп. Национальный технический университет «Днепровская политехника», пр. Дмитрия Яворницкого, 19, 49005, Днепр, E-mail: sudakovy@ukr.net РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТАМПОНАЖНОГО ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА Целю работы является установление закономерности изменения свойств тампонажного термопластичного композиционного материала от его состава, обоснование и разработка рекомендаций по изготовлению термопластичного композиционного материала на основе вторичного полиэтилентерефталата. Поставленные задачи решались комплексным методом исследования, включающим анализ и обобщение литературных и патентных источников, проведение экспериментальных исследований. Обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с использованием методов математической статистики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием положений общей теории научного эксперимента и теории случайных процессов. Приведены результаты исследования физико-механических свойств тампонажного термопластичного композиционного материала на основе полиэтилентерефталата. Определены механические свойства полиэтилентерефталата и полиэтилентерефталата с добавками наполнителей, поливинилхлорида и полиэтилена. Дана оценка влияния добавок на свойства тампонажного термопластичного композиционного материала на основе полиэтилентерефталата. Обоснована оптимальная рецептура тампонажного термопластичного композиционного материала. Впервые обоснована и доказана возможность применения для изоляции поглощающих горизонтов буровых скважин в качестве тампонажного термопластичного материала бытовых отходов на основе полиэтилентерефталата. На основании проведенных исследований физико-механических свойств показана возможность применения в скважинных условиях тампонажного термопластичного комкозиционного материала на основе полиэтилентерефталата. Обоснован состав тампонажного термопластичного комкозиционного материала на основе полиэтилентерефталата. Разработана технология изготовления тампонажного термопластичного композиционного материала. Результаты исследований нашли практическое применение при: разработке технологии изготовления термопластичного тампонажного композиционного материала; разработке технологии изоляции поглощающих горизонтов; разработке технологического регламента изоляции поглощающих горизонтов; опытно-промышленном внедрении технологии изоляции поглощающих горизонтов термопластичными тампонажными композиционными материалами. Ключевые слова: бурение скважин, поглощающий горизонт, тампонажные материалы.

Застосуваня полімерно-композиційних матеріалів для елементів бурильної колони

Institution

Ähnliche Einträge