Распространение продольных волн через соединительные элементы бурового инструмента

УДК 622.233

© Л. А. Саруев, С. С. Васенин, И.В. Кузнецов, 2013

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН ЧЕРЕЗ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Выявлено, что интенсификация бурения скважин малого диаметра на подземных горных выработок возможна с использованием новой конструкции бурильных штанг. Разработанная методика технико-экономического анализа конструкции буровых машин позволит определять их оптимальные параметры, что обеспечит повышение производительности.

Ключевые слова: вращательно ударный способ бурения, скважина малого диаметра, бурильная штанга, волна деформации, ниппельное соединение.

Анализ работы современных конструкций резьбовых соединений буровых штанг (муфтовых и нипельных) показывает, что суммарные нагрузки, действующие в соединении, складываются из нагрузок, вызванных действием крутящего момента, усилия предварительного поджатия (статические нагрузки) и нагрузок, возникающих при прохождении продольной волны.

Отметим, что максимальные усилия возникают в середине соединительного элемента (стык штанг), причем штанги испытывают сжатие, а соединительный элемент - растяжение.

Анализ статического напряженного состояния соединения приводит к выводу, что при постоянной величине крутящего момента увеличением усилия подачи бурового инструмента можно уменьшить усилия в соединительном элементе вплоть до его полной разгрузки.

Действительно, действие силы, сжимающей соединение, приводит к сближению поперечных сечений, расположенных по разные стороны стыка штанг, что в свою очередь уменьшает силу давления витков резьбы друг на друга. При дальнейшем увеличении силы сжатия наименее нагруженные витки резьб начинают отходить друг от друга, и если сила сжатия превысит максимальное усилие в соединении, то это приведет к полной раз-

грузке соединительного элемента. В этом случае продольное усилие в буровых штангах будет постоянным на всей длине соединения и равно силе сжатия, при наличии зазора между витками резьбы [1].

Рассмотрим взаимодействие элементов соединения при прохождении волны. Необходимо отметить, что длина применяемых на практике соединений мала (1с=0,15^0,3 м) по сравнению с длиной распространяющейся волны (1ь=1^5 м). Следовательно, волны при своем распространении полностью захватывает соединение.

Обратимся в начале к прохождению волны сжатия. В зависимости от конструкции соединения здесь возможны два случая.

Во-первых, если резьба является беззазорной и свинчивание соединения происходит с натягом, то невозможен отход витков резьбы друг от друга, и следовательно, соединительный элемент и буровые штанги ведут себя как единое целое. То есть, соединение можно рассматривать как участок конечной длины с площадью поперечного сечения, равной сумме площадей штанги и соединительного элемента [2].

Рассмотрим случай, когда резьба соединения изготовлена с зазорами. Так как волна полностью захватывает соединение, то это приведет к дополнительному сжатию соединения. Значения продольных усилий в волне находятся в диапазоне 105^3-105Н, что значительно превышает нагрузки, вызванные действием крутящего момента. Тогда витки резьб штанг и соединительного элемента практически не будут взаимодействовать и, следовательно, соединительный элемент не будет оказывать заметного влияния на распространение волн через соединение. Основное влияние на трансформацию волн в данном случае будет оказывать стык штанг [3].

Рассмотрим теперь прохождение через соединение волн растяжения. При своем распространении волна растяжения также полностью захватывает соединение. Однако при растяжении витки резьбы штанг упираются в витки резьбы соединительного элементы и вызывают его дополнительное растяжение. В этом случае не происходит нарушения контакта витков резьбы и, следовательно, соединение можно рассматривать просто как участок конечной длины, независимо от того, есть ли зазоры в резьбе или нет.

Таким образом, при прохождении волны сжатия через соединение с зазорами в резьбе основное влияние на трансформацию волны оказывает стык штанг. В остальных случаях соединение можно считать единым препятствием в виде участка конечной длины.

Анализ результатов исследований показал необходимость совершенствовать соединения буровых штанг в следующих направлениях:

• по возможности исключать конструктивные элементы: лыски, пазы, буртики, применять гладкие трубы;

• делать плавные переходы поперечного сечения бурильных труб и их соединений, чтобы избежать отражения волн;

• снижать высоту профиля резьбы соединений;

• увеличивать жесткость резьбовых частей труб и контактов витков резьбы и снижать жесткость соединительного элемента;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент на ПМ №79926. Россия. МПК Е21В 17/042 (2006.01) Ниппельное соединение буровых штанг / А.В. Шадрина, А. А. Казанцев, Л.А. Саруев, А.Л. Саруев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Томский политехн. ун-т. — № 2008130004/22; заявл. 21.07.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. №2. - 2 с.

2. Саруев А.Л., Саруев Л.А. Анализ повышения статических напряжений растяжения-сжатия в элементах соединений штанг в процессе довинчивания при одновременном воздействии силовых импульсов, крутящего момента и осевого усилия подачи [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ) Отдельный выпуск. Горное машиностроение. - М. - 2012. — № 3. - С. 409—415.

3. Шадрина А.В., Сареув Л.А. Исследование процессов циклической деформации резьбовых соединений бурильных труб [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). Отдельный выпуск. Горное машиностроение. - М. - 2012. — № 3. - С. 450-459.