Введение к работе
Актуальность проблемы. Еэинейшей общенародной задачей является максимальное ускорение научно-технического прогресса. Научно-технический прогресс определяется уровней нзавностроения, в тон числе я нефтепромысловым, производящий оборудование дня бурения, ремонте в эксплуатации нефтяных я гэзозых сквзнин. Освоение нефтегазовых: месторокденвй Западной Сибири, Крайнего Севера я континентального кельфз с суровыми климатическими уело— . виями при ограниченных людских ресурсах требует полной механизации и нэдегной работы оборудования для спуско-подъемяых операций (СПО) составляющих I5J5 календарного времени при бурении я 80% при'ремонте скважин. Надежность комплекса нефтепромыслового оборудования для СПО зависит от качества работы зэяимных устройств клиновых ззхватов, бурильных и трубных кяшей, спзйдеров, механизмов захвата свечей, зэяяиных патронов буровых станков, автоматов для подземного ремонта скеэяин, а также труболовок, колонных головок, покеров и др.
Проведенный нами анализ брзка стэльных бурильных труб показал, что причиной выхода из строя 74$ всех отбракованных 5 труб является несовершенство клиновых зэхвзтов ІЖР-У7, ЖР-Ш8 и превышение допустимых нагрузок кз бурильную трубу. Проведенное ШИИТнефтьв г.Куйбышев обследование показало, что причиной 20% аварки является повреждение тела легкосплавных бурильных труб клиновыми захззтзми. В стандартах Американского нефтяного института указывается, что причиной поломки бурильных труб чэще всего являются подрезания груб клиньями. Глубокие порезы на поверхности бурильных зэмков и соединительных концов оставляют ' зубья плашек автоматических и механизированных буровых ключей.-' При нзворзчввэнии муфт на обсадные трубы на муфтонэзерточных
*
станках, зубья губок трубо а цуфтозэкшных устройств оставляю! на трубе и муфте порезы. В результате деформаций от сил зэеимз при нарезании резьбы обсадных и нзсосно-комдрессорных труб и .муфт образуются непрерывные каната вдоль образующие конуса резьбы, которые являются причиной нарушения герметичности.
Примеры несовершенств расчета, проектирования и работы аз гимных устройств можно продолжить.
G повышением нагрузок при глубокой бурении на механизмы для спуско-подъемннх операций и на бурильные,обсадные и нэсос-но-ноыпресеорные трубы, с повышением требований к точности обработки, с повышением сил при обработке и испытании материалов с высокими механическими свойствами повысились требования к работе зажимных устройств. Для реализации систем автоматизированного проектирования нефтепромыслового оборудования, технологических процессов и приспособлений для его изготовления необходимы зависимости, описывающие процесс работы зажимных устройстз
В связи с этим исследование факторов влияющих на удерживающую способность зажимных устройств является актуальной задачей в нефтепромысловом машиностроении, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности.
Цель работы. Разработка теоретических основ создания зажим них устройств для спуско-подъемных операций при бурении,ремонте и эксплуатации глубоких и сверхглубоких -скважин, обладающих повышенной удеряивзющей способностью.
Основные задачи работы. I. Провести силовой и кинематический анализ зажимных устройств для выявлен распределения сдвигающих сил и сил зажима по зубьям насечки. 2. Выявить механизм образования шейки нз бурильной трубе при зажиме ее в клиновом захвате и влияние ее конструкции и силовых факторов нз этот
5.
процесс. 3. Установить влияние конструкции зажимных поверхностей на характер распределения сил зажима и обосновать выбор расчетной схемы и математической модели для расчета напряжений и перемещений в трубе при закреплении ее в плашках с цилиндрической рифленой поверхностью. 4. Разработать теоретические основы . процесса установки упругих тел: тонкостенных цилиндрических деталей (труб, гильз, колец). 5. Разработать принципы проектирования зэжимных устройств и рекомендаций по их эксплуатации.' Про- . вести внедрение и промышленное апробирование результатов работы.
Методы исследования. Для изучения факторов, влияющих нз удерживзнцую способность зажимных устройств, применен теоретический анализ и экспериментальные исследования,' Теоретический анализ проводился с применением методов теории упругости, с использованием ЭВМ "Минск-32, ЕС 1035, AppUcon (США) и графопостроителя XYNET3CS (Япония). Экспериментальные исследования проводились на современном оборудовании и специально спроектированных стендах и приспособлениях. Деформации замерялись электро-тензометрировэкяем с применение!" автоматического измерителя деформаций АИД-2М, поляриззционно-оптическим методом на плоских моделях из ЭДб-М и на объемных из ОНС, методом отпечатков на бумажном листе и индикаторными приспособлениями.
Научная новизна. Разработаны научные основы процесса установки упругих тел, когда бесчисленное множество степеней свободы упругого тела заменяется ограниченным числом уравнений связи.
Введено и обосновано понятие "удерживающая способность за-кимных устройств", которое наиболее полно раскрывает процесс ус-^ гановки.
Выявлен механизм образования шейки нз бурильной трубе при многократном зажиме ее в клиновом захвате во время СПО.
Выявлено, что при закреплении рифлеными поверхностями в качестве расчетной схемы следует принимав схему действия равно мерно распределенной нагрузки. На основе этого обоснована возможность применения общей теории цилиндрической оболочки для рвсчетв перемещений и напряжений при закреплении труб жесткими
Получены зависимости для определения величин перемещений и напряжений при разных схемах закрепления труб под действием асиі
МеірИЧНОЙ И ОСеСИЫМеТрИЧНОЙ НагруЗКИ, ПрИЛОЖеННОЙ В Средней ЧЗС'
тв и у торца.
Выявлено, сформулировано и исследовзно свойство систем (бесконечных и полубесконечных цилиндрических оболочек и балок, тонких плит), лежащих H8 упругом основании, применение которого позволяет уменьшить величину прогиба для разных систем не 30-46J
Практическая ценность. По результатам проведенных исследований даны рекомендации по оптимальному учету каждого фактора, влияющего на удерживающую способность ззжимных устройств, в виде аналитических зависимостей, графиков,номограмі, выводов.
Разработаны методики для расчета, проектирования и эксплуатации ззжимных устройств нефтепромыслового оборудования, обеспечивающие уменьшение напряжений и деформаций в трубах и контактных деформаций в местах закрепления. Усовершенствована математическая модель расчета зажимных устройств.Созданы основы для унификации и нормализации плашек зажимных устройств.
Уточнена методика расчета допустимых нагрузок на бурильные трубы, закрепленные в различных конструкциях клиновых захватов.
Перечисленные материалы использованы при создании системы автоматизированного проектирования ззжимных устройств нефтепромыслового оборудования, технологических процессов и приспособ-
іений для его изготовления.
Мзтзризлы работы могут быть использованы в учебном процессе по курсам "Нешины и оборудование нефтяных и газовых промыслов", "Основы конструирования приспособлений" и "Технология ма-аияостроения".
Реализация работы в промышленности. I. Подученные в работе кзучно-технические решения реализованы в комплексе мероприятий по усовершенствованию клиновых захватов типа .ПКР (увеличение угла охвата трубы плашками, увеличение угла клина и вкладыша до 12, применение зубьев плашек с углом = 0-5, при котором радиальные силы равны нулю и др.) и технологии их изготовления,что позволило увеличить диапазон глубин применения клиновых захватов и уменьшить повреждение бурильных труб.
-
По разработанной методике составлены таблицы допустимых нагрузок на СБТ и ЛБГ, закрепленную в клиновом захвате. Эти таблицы переданы зо ВНЙИнефтемэи г.Москва и включены ими в инструкции клиновых захватов ПКР 560, ПКР 56011, ПКРБО 700, выпускаемых ПО "Куйбышевбурмаш". Методика, алгоритмы и программы для ЭВМ переданы в Кольскую ГРЭ и используются опытно-методической партией экспедиции для оперативного расчета бурильной колонны, эксплуатируемой в СГ-3, а также при проведении проектных расчетов бурильных колонн сверхглубоких скважин, проводка которых осуществляется ПГО "Недра" Мингео СССР по программе ПШТ СССР.
-
По данным справки НПО "Поиск" ВНИ1ШИ г.Москва от 19.02. 87 г. на 01.01.85 годэ изобретения по результатам исследований реализованы: по э.с. 422540 на одном предприятии, по а.с. 466421 на пяти предприятиях, по э.с. 656800 на пятнадцати предприятиях, по з.с. 733842 нэ четырех предприятиях. Результаты исследований защищены еще следующими авторскими свидетельствами: 356059, 910370,
ІІ83654, ІІ89646 и ІН8І46. Изобретения по в.с. 356059 и а.с. 910370 внедрены в промышленности.
-
Материалы диссертации включены в опубликованное в 1984 году учебное пособие "Удерживающая способность зажимных устройств в машиностроении", рекомендованное Минвузом Азерб.ССР для машиностроительных специальностей вузов.
-
Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 2717 тыс.рублей.
Апробация работы. По основным вопросам выполненных исследований сделано 89 докладов на всесоюзных, республиканских, отраслевых и вкутривузовских конференциях: 55 доклада на XX-XXXIX научно-технических конференциях АзПИ им.Ч.йльдрымз в течение 1969-1988 гг.; 15 докладов нз республиканских научно-технических конференциях в г.Баку во ВНШПТнештемэше, АзПИ им.Ч.Ильдрымз, АзйНЕФТЕХИМ имЛ.Азизбековэ в 1972,1974,1977,1978,1979,1983,1988, 1989 гг.; доклады на второй и третьей Всесоюзных конференциях по динчиике и прочности нефтепромыслового оборудовзния в АзйНЕФТЕХИМ им.М.Азизбековз, в г.Баку в 1977 и 1983 гг.; доклзд во ВНИИ разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб в 1976 г., г.Куйбышев; доклад на XX конференции втузов Закавказья в АзИНЕФТЕХИМ им.М.Азизбековз в 1980 г., г.Баку; доклад на кафедре "Прикладная механика" ШНХ и ГП им.И.И.Губкина'г.Москва, 1973 г.; 2 доклада на конференции "Прогрессивные конструкции приспособлений механосборочного производства" в 1973 г. г.Москва (НТО Мэшпром и МВТУ . им.Н.Э.Баумана), доклады нз кафедре АМ-3 "Технология механосборочного производства" МВТУ им.Н.Э.Баумана в 1978 и 1983 гг., г. Москва; доклады в Московском станкоинструментзльном и Тульском политехническом институтах в 1981 г., доклад на 56-ой научно-технической конференции ХПИ в 1976 г., г.Хэрьков; доклзд на тех-
нйко-зкопсуическои Совете ВПО "Совзалектротвхнологвя" в 1976 г., г.Бэку; 3 доклада на Республиканской конференции в г.Твшкенте в 1976 г.; доклад з г.Тольятти (БАЗ, ТІШ, Дом Техники) в 1284 г, 2 доклада на 3-ей Всесоюзной конф. в г.Тольятти в 1538 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано S4 печатных работ, включая 9 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из основной части и приложения (книга вторая). Основная часть работы состоит из введения, сести глаз, еызодоз по работе и излокенэ на 224 страницах .машинописного текста, содержит 71 таблицу,165 рисунков, список литературы из 231 наименований.
В приложениях приведены: таблицы параметров, характеризующие бурильные и обсадные трубы, технология изготовления плзтзк с косой и косой перзкрецивзюдейся насечкой, программы рзсчетозна ЭЕЦ, акты внедрения, расчеты экономического эффекта, программы промышленных испытаний, письма.
