Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву
Розглянуто конструктивні особливості обсадної труби при спуску її на плаву. Представлено розрахункову модель для дослідження напружено-деформованого стану труби в зоні стикування з днищем. We consider design features of the casing during descent it afloat. The calculated model for the study of stres...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33292 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву / С.В. Борщевский, С.Н. Царенко, В.В. Левит // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 226-235. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33292 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Борщевский, С.В. Царенко, С.Н. Левит, В.В. 2012-05-27T13:56:50Z 2012-05-27T13:56:50Z 2009 Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву / С.В. Борщевский, С.Н. Царенко, В.В. Левит // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 226-235. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33292 622.831.1 Розглянуто конструктивні особливості обсадної труби при спуску її на плаву. Представлено розрахункову модель для дослідження напружено-деформованого стану труби в зоні стикування з днищем. We consider design features of the casing during descent it afloat. The calculated model for the study of stress-strain state of pipes in the area of interface with the bottom. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву Calculation of design features casing in its descent afloats Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| spellingShingle |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву Борщевский, С.В. Царенко, С.Н. Левит, В.В. |
| title_short |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| title_full |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| title_fullStr |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| title_full_unstemmed |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| title_sort |
расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву |
| author |
Борщевский, С.В. Царенко, С.Н. Левит, В.В. |
| author_facet |
Борщевский, С.В. Царенко, С.Н. Левит, В.В. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехническая механика |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Calculation of design features casing in its descent afloats |
| description |
Розглянуто конструктивні особливості обсадної труби при спуску її на плаву. Представлено розрахункову модель для дослідження напружено-деформованого стану труби в зоні стикування з днищем.
We consider design features of the casing during descent it afloat. The calculated model for the study of stress-strain state of pipes in the area of interface with the bottom.
|
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33292 |
| citation_txt |
Расчет конструктивных особенностей обсадной трубы при ее спуске на плаву / С.В. Борщевский, С.Н. Царенко, В.В. Левит // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 226-235. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT borŝevskiisv rasčetkonstruktivnyhosobennosteiobsadnoitrubyprieespuskenaplavu AT carenkosn rasčetkonstruktivnyhosobennosteiobsadnoitrubyprieespuskenaplavu AT levitvv rasčetkonstruktivnyhosobennosteiobsadnoitrubyprieespuskenaplavu AT borŝevskiisv calculationofdesignfeaturescasinginitsdescentafloats AT carenkosn calculationofdesignfeaturescasinginitsdescentafloats AT levitvv calculationofdesignfeaturescasinginitsdescentafloats |
| first_indexed |
2025-11-24T05:25:45Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:25:45Z |
| _version_ |
1850843556890017792 |
| fulltext |
226 Выпуск № 83
УДК 622.831.1
С.В. Борщевский, д-р техн. наук, проф.
С.Н. Царенко, инженер
(ДонНТУ)
В.В.Левит, д-р техн. наук
(ОАО «Спецшахтобурение»)
РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБСАДНОЙ
ТРУБЫ ПРИ ЕЕ СПУСКЕ НА ПЛАВУ
Розглянуто конструктивні особливості обсадної труби при спуску її на плаву. Представ-
лено розрахункову модель для дослідження напружено-деформованого стану труби в зоні
стикування з днищем.
CALCULATION OF DESIGN FEATURES CASING
IN ITS DESCENT AFLOATS
We consider design features of the casing during descent it afloat. The calculated model for the
study of stress-strain state of pipes in the area of interface with the bottom.
При бурении скважин большого диаметра, как правило, грузоподъемность
буровой установки выбирают по весу обсадной колонны, которую предстоит
опускать в скважину. Если вес колонны превышает грузоподъемность буровой
установки, то применяют три специальных способа спуска колонны: на воз-
душной подушке, на плаву или секциями.
В последнее время наиболее распространен спуск колонн секциями, но он
сопряжен со значительным увеличением времени крепления скважин, причем
не исключаются случаи не плотной стыковки секций, что осложняет тампонаж
и последующую эксплуатацию скважин. Спуск колонны на плаву является наи-
более простым и эффективным способом, но ограничен допустимым внешним
давлением на колонну. Спуск колонн на воздушной подушке лишен недостат-
ков предыдущих способов, но связан с усложнением технологии спуска и необ-
ходимостью применения специальных приспособлений.
Таким образом, актуальной задачей является определение наиболее рацио-
нального способа спуска в зависимости от горно-геологических параметров
скважины и конструктивных особенностей трубы. Для решения данной задачи
необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние трубы в
процессе спуска.
Исследование напряженно-деформированного состояния колонны при спус-
ке на плаву можно разделить на три этапа:
1. Определение несущей способности трубы из условия прочности;
2. Исследование напряженно-деформированного состояния трубы в зоне со-
стыковки с днищем, как наиболее напряженной зоны;
3. Обоснование конструктивных параметров стального днища.
Определение несущей способности колонны из условия ее прочности следу-
ет осуществлять по следующей методике.
Конструктивно обсадная колонна представляет собой трубу диаметром d ,
сваренную из листов толщиной δ , и усиленную кольцевыми ребрами (шпанго-
"Геотехническая механика" 227
утами) из швеллера или полосы с площадью поперечного сечения
ш
F . Один
край трубы заглушают днищем и спускают в скважину, заполненную промы-
вочной жидкостью (рис.1).
Основная часть трубы находится в состоянии, соответствующего осесим-
метричному сжатию. В качестве расчетной модели принимаем тонкостенный
цилиндр, загруженный внешним давлением p и кольцевыми силами q , распо-
ложенными друг от друга на расстоянии
ш
Ss = , где
ш
S и
ш
b – шаг между
шпангоутами и их ширина соответственно, а так же продольным усилием xT ,
(рис.1). Давление, соответствующее гидростатическому давлению промывоч-
ной жидкости, gHp ρ= , где ρ – плотность промывочной жидкости, H – высо-
та опорожнения колонны. Кольцевая сила q представляет собой реакцию со
стороны шпангоута,
4
pd
Tx = – усилие вызванное выталкивающей силой.
Принимая начало координат в точке приложения силы q , уравнение осе-
симметричной деформации оболочки возьмем в виде [1]
D
p
Dr
T
w
dx
wd x −=+ µβ 4
4
4
4 , (1)
где, 4
22
2 )1(3
δ
µβ
r
−= ,
)1(12 2
3
µ
δ
−
= E
D – изгибная жесткость оболочки.
Общее решение уравнения (1) представим в виде суммы общего решения
H s
Q
Q
p
δ
r=d/2
Tx
Tx
Рис. 1 – Расчетная схема спуска обсадной колонны на плаву.
x
O
228 Выпуск № 83
однородного уравнения и частного решения
www += 0 , (2)
где
δδ
µ
ββ
µ
E
pr
E
rT
D
p
Dr
T
w xx
2
44 44
−=−= – частное решение;
xeCxeCxeCxeCw xxxx ββββ ββββ cossincossin 43210 +++= −−
– общее решение од-
нородного уравнения.
Постоянные 1C , 2C , 3C , 4C и q определяются из граничных условий:
=
=
=
=
=
,)0(
;0)(
;)(
;0)0(
;)0(
ш
ww
sv
qsQ
v
qQ
(3)
где
ш
w – деформация шпангоута в радиальном направлении;
dx
dw
v = – угол поворота нормали;
3
3
dx
wd
DQ = – поперечная сила.
Кольцевую силу q определим из зависимости:
ш
ш EF
qr
w
2
= , где
ш
F – площадь
поперечного сечения шпангоута.
Решая систему (3), с учетом того, что для исследуемых труб ( 2016 ÷=δ мм
5,29,0 ÷=r м) величина шага более 36,01,0 ÷≥s м находим постоянные:
)4(
)(
23
2
1
DrEF
rTprF
С
ш
xш
βδ
µ
+
−= ;
)4(
)(
23
2
2
DrEF
rTprF
С
ш
xш
βδ
µ
+
−= ;
)cos(sin
)4(
)(
23
2
3 λλ
βδ
µ λ −
+
−= −e
DrEF
rTprF
С
ш
xш ;
)sin(cos
)4(
)(
23
2
4 λλ
βδ
µ λ +
+
−= −e
DrEF
rTprF
С
ш
xш .
Подставляя значения постоянных в уравнение (2), получаем выражения для
деформаций и усилий:
"Геотехническая механика" 229
– радиальное перемещение
δδ
µβλλβλλ
ββ
βδ
µ
βλβλ
ββ
E
pr
E
rT
xeexee
xexe
DrEF
rTprF
xw
xxx
xx
ш
xш
2
23
2
)cos)sin(cossin)cos(sin
cossin(
)4(
)(
)(
−+++−+
++
+
−=
−−
−−
; (4)
– углы поворота нормали
))sin(cos)sin(cos)cos(sin)cos(sin
sin2(
)4(
)(
)(
23
2
xxeexxee
xe
DrEF
rTprF
dx
dw
xv
xx
x
ш
xш
ββλλββλλ
β
βδ
µ
βλβλ
β
−+++−+
+−
+
−==
−−
−
; (5)
– окружное усилие
prxeexee
xexe
DrEFr
rTprEF
r
wE
TxT
xx
xx
ш
xш
xt
−++−+
++
+
−=+−=
−−
−−
)cos)sin(cossin)cos(sin
cossin(
)4(
)(
)(
23
2
βλλβλλ
ββ
β
µδµ
βλβλ
ββ
; (6)
– изгибающий момент в осевом направлении
)sin)cos(sincos)cos(sin
sincos(
)4(
)(2
)(
23
22
2
2
xeexee
xexe
DrEF
rTprDF
dx
wd
DxM
xx
xx
ш
xш
x
βλλβλλ
ββ
βδ
µβ
βλβλ
ββ
+−−+
++−
+
−==
−−
−−
; (7)
– изгибающий момент в окружном направлении
)sin)cos(sincos)cos(sin
sincos(
)4(
)(2
)()(
23
22
xeexee
xexe
DrEF
rTprDF
xMxM
xx
xx
ш
xш
xt
βλλβλλ
ββ
βδ
µµβµ
βλβλ
ββ
+−−+
++−
+
−==
−−
−−
; (8)
Напряжения определим по известным формулам [71]
2
6
δδ
σ xx
x
MT ±= ;
2
6
δδ
σ tt
t
MT ±= ; txtxекв
σσσσσ −+= 22 . (9)
На графике рис. 2 показано влияние шага на величину ∆ по середине проле-
та для труб диаметра d=4,3 м с различной толщиной стенки δ=12; 16 и 20 мм.
Определим жесткость ребер из условия прочности трубы в зоне состыковки,
т.е. [ ]σσ ≤)0()1(
екв
(рис. 1). На рис. 2 показан график изменения эквивалентных
230 Выпуск № 83
напряжений в трубе d=4,3 при различной толщине стенок δ=12; 16 и 20 мм в за-
висимости от параметра жесткости
ш
F , из которого следует, что на напряжения
в зоне состыковки основное влияние оказывает толщина трубы, а не жесткость
ребер.
Для спуска обсадных труб небольшого диаметра (до 1 м) на плаву или на
воздушной подушке, как правило, в качестве днища используется цементный
мост значительной толщины. При больших диаметрах использование такого
днища становится неприемлемым из-за сложностей его монтажа, т.о. для труб
большого диаметра возникает необходимость в конструкции менее массивного
и достаточно прочного днища. Требуемые параметры может обеспечить сталь-
ное днище, но при не достаточной его жесткости значительные усилия могут
передаваться на трубу, что приводит к установкам в зоне состыковки дополни-
тельных ребер жесткости (стрингеры). Для разрешения таких технологических
проблем, необходимо решить следующие задачи:
– определить требуемую жесткость днища из условия его прочности;
– определить длину участка трубы, который необходимо укрепить, а так же
выбрать параметры усиливающих ребер.
В качестве расчетной модели при спуске обсадной колонны на плаву (рис.3.)
рассмотрим полубесконечную цилиндрическую оболочку, погруженную в жид-
кость и подкрепленную продольными (стрингеры), кольцевыми (шпангоуты)
ребрами с упругим днищем радиуса R. Оболочка имеет следующие параметры:
толщина стенки δ, F
с
, Sc – площадь сечения и шаг между стрингерами, F
ш
S
ш
–
площадь сечения и шаг между шпангоутами. На цилиндрическую поверхность
оболочки действует внешняя нагрузка Hp
ж
γ= соответствующая давлению
жидкости на днище.
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-0.2
-0.1
0.1
0.2
0
∆
s, м
1 2
3
Рис. 2 – График изменения ∆ в зависимости от величины шага труб диаметром
4,3 м с толщиной стенки: 1 – 12 мм; 2 – 16 мм; 3 – 20 мм.
"Геотехническая механика" 231
Рис. 3 – Расчетная модель обсадной колонны при ее спуске на плаву.
Колонну будем считать конструктивно анизотропной оболочкой, которая
находится в осесимметричном напряженно-деформированном состоянии, при
этом она при растяжении и изгибе в продольном и поперечном направлениях
имеет один и тот же модуль упругости. Толщину оболочки, которую будем
считать приведенной, при растяжении в кольцевом и меридиональном направ-
лениях будет вычисляться по формулам [1]:
ш
ш
ш S
F+= δδ ,
с
с
с S
F+= δδ .
Подсчитав моменты инерции элементов сечения оболочки относительно
центра тяжести можно найти приведенные толщины при изгибе:
3
12
ш
ш
ш S
J
h = , 3
12
с
с
с S
J
h =
Уравнение осесимметричной деформации оболочки будет иметь вид [1]
pw
R
Eh
dx
wd
T
dx
wdh
E ш
x
c =++ 22
2
4
43
12
, (10)
где х – осевая координата,
w – радиальное перемещение,
2
pR
Tx = – осевое усилие, которое определяется из условия равновесия днища.
О R
x
pд
p1
232 Выпуск № 83
Если обозначить
322
2 33
c
x
c
ш
Eh
T
hR
−= δα , 322
2 33
c
x
c
ш
Eh
T
hR
+= δβ , то общее решение с
условием затухания уравнения (10) будет иметь вид
xeСxeС
Eh
pR
w xx
ш
ββ αα cossin 21
2
−− ++−= ; (11)
Уравнение углов поворота днища имеет вид [3]
[ ]∫ ∫++= rdrdQr
rDr
С
rСv
д
д
д
€€
14
3 , (12)
где
2
pr
Q
д
= – поперечная сила,
)1(12 2
3
µ
δ
−
= д
д
E
D – изгибная жесткость днища.
Подставив выражение
д
Q в уравнение (12) и выполнив интегрирование най-
дем
д
д
д D
rp
r
С
rСv
16
3
4
3 ++= (13)
Так как для сплошной пластины без отверстия угол поворота нормали при
0=r не должен обращаться в бесконечность, то 04 =С . Остальные постоянные
определим из граничных условий сопряжений оболочки с днищем
=−
−=
=
).()0(
);()0(
;0)0(
RMM
Rvv
w
r
д
(14)
Решая систему (14) находим постоянные С1, С2, С3:
ш
E
pR
C
δ
2
2 = ;
αβµβ
βαµα
D
R
D
D
R
D
C
pR
C
д
д
2
)1(
)(
)1(
8
22
2
2
1
++
−+++
= ;
"Геотехническая механика" 233
R
C
R
C
D
pR
C 21
2
3 16
αβ +−−= ,
где
)1(12 2
3
µ−
= с
Eh
D – изгибная жесткость оболочки.
Силовые факторы Mx, Тt, и Mt возникающие в оболочке, определяются по
формулам [2]:
( )xeСxeС
R
E
pR
R
wE
T xxшш
t ββδδ αα cossin 21
−− ++== ; (15)
))cos)(sin2(
)cos2sin)(((
22
2
22
12
2
xxC
xxCDe
dx
wd
DM x
x
ββαβαβ
βαβββαα
−++
+−−== −
;
))cos)(sin2(
)cos2sin)(((
22
2
22
12
2
xxC
xxCeD
dx
wd
DM x
t
ββαβαβ
βαβββαµµ α
−++
+−−== −
. (16)
Аналогично определяются усилия, возникающие в днище [2]:
)3(
16
)1(
2
3 µµµ +++=
+= rp
СD
r
v
dr
dv
DM д
ддr ; (17)
)31(
16
)1(
2
3 µµµ +++=
+= rp
СD
dr
dv
r
v
DM д
ддt . (18)
Напряжения в оболочке определяются по формулам (9), в днище:
2
6
д
r
r
M
δ
σ ±= ;
2
6
д
t
t
M
δ
σ ±= . (19)
Оценка расчетного метода обсадных колонн на основе метода конечных
элементов и степени влияния принятой модели на точность проведенных для
некоторых случаев расчетов осуществлялась одним из наиболее распростра-
ненных и достаточно универсальных численных методов проведения анализа
напряженно-деформированного состояния – МКЭ. Самой распространенной
САЕ-системой основанной на этом методе является ANSYS [85-86]. Данная
система позволяет заменить реальные процессы их виртуальным аналогом.
Программа статического анализа элементов обсадной колонны в среде
ANSYS. Анализ проводился в следующей последовательности:
1. Создание модели;
2. Построение сетки;
234 Выпуск № 83
3. Приложение нагрузок;
4. Получение решения.
Модель представляет собой тонкостенный цилиндр 1, усиленный ребрами
из П-образного профиля 2, закрытый с одной стороны плоским днищем 3 с 6-ю
радиальными ребрами 4 (рис. 4).
Для построения сетки был выбран плоский элемент SHELL143. Для этого
элемента было определено 5 констант соответствующих толщине трубы δ,
толщинам стенки швеллера d и полки t, приведенной толщине трубы hc в зоне
состыковки 5 (рис. 5), толщине днища δд, толщине радиальных ребер.
В качестве внешней нагрузки к наружной стороне цилиндра 1, 5 и днища 3
было приложено давление p. Верхний торец цилиндра закреплен вдоль оси z.
Проведем сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния
обсадной колонны полученный: 1 – аналитическим методом; 2 – с использова-
нием расчета МКЭ модели соответствующей принятой в аналитическом мето-
де; 3 – с использованием расчета МКЭ комплексной модели (рис. 5).
Рис.5 – Комплексная модель обсадной колонны.
В качестве исходных данных для комплексной модели принимаем парамет-
ры соответствующие процессу описанному выше: диаметр трубы 3,4=d м;
1
XY
Z
1
1
2
3
4
5
"Геотехническая механика" 235
толщина стенки трубы 016,0=δ м; параметры швеллера: ширина 160=
ш
H
мм, высота 64=
ш
b мм, толщина стенки 5=
ш
d мм полки 4,8=
ш
t мм, шаг
75,0=
ш
S м;, давление 583,0=p МПа; приведенная толщина трубы hc=100 мм;
для днища примем следующие параметры: толщина пластины δд=40 мм, тол-
щина ребер δр=40 мм и высота ребер 500=
р
H мм.
Для сравнения результатов полученных аналитическим методом и с исполь-
зованием МКЭ рассмотрим на исследуемых участках характер поведения
функций w , соответствующих радиальным перемещениям в оболочке и проги-
бам днища, т.к. данные функции являются исходными для определения напря-
женно-деформированного состояния тел. Полученные графики перемещений
позволяют определить, что поведения соответствующих функций идентично,
расхождение значений перемещений составляет:
- в зоне состыковки шпангоутов с трубой – 9,3%;
- по середине пролета между шпангоутами – 11,3%;
- по центру днища, для модели с приведенной толщиной – 12,8%;
- по центру ребристого днища – 33,7%;
- максимальное значение по середине пролета между ребрами m2/πϕ = –
7,8%;
- максимальное значение по сечению 2/R=ρ – 6,9%.
Выводы:
- жесткость шпангоутов оказывает влияние на несущую способность трубы
лишь в пределах определенного участка, зависящего от толщины стенки трубы
δ . При величине шага шпангоутов превышающей длину этого участка наличие
ребер жесткости не оказывает влияние на несущую способность трубы в целом;
- после выбора параметров трубы и ребер следует делать проверку прочно-
сти в зоне их состыковки, что обусловлено концентрацией напряжений в этой
зоне;
- при использовании днища, для обеспечения прочности, участок трубы в
зоне состыковки следует дополнительно усиливать стрингерами, при этом дли-
на участка и параметры ребер должны выбираться в зависимости от конструк-
ции днища;
- проверка аналитического метода численным показал, что принятые допу-
щения в моделях используемых в аналитическом методе не оказывают значи-
тельного влияния не на характер поведения не на численные значения иссле-
дуемых функций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин / Бояршинов С.В. – М.: Машиностроение, 1973.
– 456 с.
2. Основы строительной механики ракет: [учеб. пособие для студ. высш. уч. зав.] / Балабух Л. И., Колесни-
ков К. С., Зарубин В. С. и др. – М.: Высшая школа, 1969. – 496 с.
3. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер: [пер. с англ.] – М.: Наука,
1966. – 635 с.
|