CC BY
16
УДК 622.233
© Л.А. Саруев, С.С. Васенин, 2013
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗГИБА В СОЕДИНЕНИЯХ БУРОВЫХ ШТАНГ ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ
Приведены результаты экспериментальных исследований напряжений изгиба в резьбовых участках штанг и построены осциллограммы изгиб-ных ударных импульсов в соединительных элементах буровых штанг между собой ниппелем с цилиндрической резьбой. Ключевые слова: резьба, ниппель, штанга, удар, напряжение.
Имеющиеся литературные данные по исследованию напряжений изгиба, возникающих при нецентральном ударе, относятся обычно к сплошным штангам. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований напряжений изгиба в резьбовых участках штанг, в муфте и ниппеле с круглым профилем резьбы, а также в муфте с упорным профилем резьбы. Для измерения напряжений изгиба в средней части муфты и ниппеля наклеивались проволочные тензорезисторы с базой 10 мм и сопротивлением 100 Ом. Буровой став из круглых штанг соединялся ниппелями, став из шестигранных штанг — муфтами с круглым и упорным профилем резьбы [1].
Осциллограммы изгибных ударных импульсов (рис. 1 а и б) в указанных выше соединительных элементах буровых штанг сняты на расстоянии 1700 мм от торца хвостовика инструмента при крутящем моменте Т = 196 Нм в тот момент, когда рычаг с грузом не поворачивался относительно оси штанг от нанесения ударов и находился близко к горизонтальному положению.
На осциллограммах сизЛ и сиз2 — максимальные значения напряжений изгиба: а сиз3 — размах колебаний напряжений изгиба.
К началу прихода ударного импульса сжатия в соединительном узле произошло довинчивание буровых штанг в процессе нанесения ударов и действия постоянного крутящего момента, в результате чего увеличились напряжения сжатия-растяжения в эле-
ментах резьбовых соединений. Результаты исследований показали, что при прохождении по резьбовой части буровой штанги импульса изгиба в начале става штанг (импульс изгиба быстро затухает) в ниппеле или муфте также возникают напряжения изгиба вследствие того, что последние частично или полностью разгружаются от растягивающих усилий лишь по одной стороне.
Установлено, что напряжения изгиба в ниппеле, муфте и штангах возникают и от продольной волны напряжения сжатия, так как виток резьбы ниппеля или муфты разгружается от осевой растягивавшей нагрузки ударным импульсом сжатия не одновременно по всей длине контакта винтовой линии. Этот вывод подтверждается осциллограммами, снятыми в различных точках по длине става штанг [2]. В результате этого в муфте (в ниппеле) появляется импульс изгиба, который на торце последней меняет знак на противоположный и движется в обратном направлении. Отражение волн от границы муфты, ниппеля повторяется многократно [3]. Замечено, что изгибные волны в ниппеле затухают быстрее (рис. 1 б), чем в муфте с круглым и упорным профилями резьбы (рис. 1 а).
Это объясняется тем, что жесткость ниппеля в 1,6 раза меньше жесткости соединяемых штанг, а жесткость муфты с упорным и круглым профилями резьбы, соответственно, была в 3 и в 1,3 раза больше жесткости штанги. Волны изгиба в муфте и ниппеле также создают волны изгиба в резьбовой части штанги и в случае, если изгибные волны в штанге не затухают к следующему удару, то происходит наложение прямой волны сжатия с изгибной волной в резьбовой части штанги, вследствие чего появляются зоны с повышенными напряжениями. Этим можно объяснить частые поломки штанг в месте резьбы у торца муфты.
Рис. 1. Осциллограммы изгибных ударных импульсов: а) в муфте с упорным профилем резьбы; б) в ниппеле с круглым профилем резьбы
»
Таким образом установлено, что усилие подачи колонны штанг на забой скважины практически не влияют на величину напряжений изгиба в элементах резьбовых соединений штанг. Усилие подачи влияет лишь на величину статических напряжений изгиба, возникающих в результате потери устойчивости колонны штанг, увеличения числа и сокращения в ней длины полуволн продольного изгиба.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саруев А.Л. Динамические процессы и напряжения в элементах резьбовых соединений буровых штанг при вращательно-ударном на-гружении: — монография / А.Л. Саруев, Л.А. Саруев; Томский политехнический университет. - 2-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 101 с.
2. Шадрина А.В., Саруев 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.
3. Рындин В.П. Отраженные импульсы при вращательно-ударном бурении // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - «2. - С. 48-49.
4. Казанцев А. А. Анализ экспериментальных исследований передачи ударных импульсов по ставу штанг с различными соединительными элементами / Проблемы геологии и освоения недр: IX международный симпозиум имени ак. М. А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 9-11 апр. 2005 г. Изд-во ТПУ, с. 566-568.
5. Саруев Л. А. Повышение производительности вращательно-ударного бурения скважин рабочим инструментом шпилечного соединения [Текст] / Л.А. Саруев, А.А. Казанцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). Отдельный выпуск. Горное машиностроение. - М. - 2011. -№2. - С. 420-432
