CC BY
5
Моделирование процесса раздачи нефтяных труб в скважине и выбор параметров инструмента
С.В. Паршин, Н.В. Семенова, А.А. Паршина
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
Екатеринбург
Аннотация: Рассмотрено моделирование процесса раздачи профильных нефтяных труб в скважине посредством конусного пуансона и выполнено на этой основе определение силы, необходимой для его проталкивания. Найдено нормальное усилие на один выступ профиля трубы. Учтено изменение сопротивления деформации и геометрии профиля при раздаче. Определен оптимальный угол конусности и выбраны геометрические параметры пуансона, включающие наибольший и наименьший диаметры и его длину. Приведен числовой пример расчета по полученным формулам, который показывает техническую осуществимость процесса.
Ключевые слова: раздача, нефтяные профильные трубы, усилие на выступ, уравнение равновесия, сопротивление деформации, геометрия инструмента, числовой пример
Профильные трубы при установке в скважину позволяют изолировать зоны осложнения при бурении, создать новую технологию проходки стволов и, в конечном итоге, во многом обеспечивают импортонезависимость отечественной нефтедобычи [1]. При этом предварительно круглая обсадная труба должна профилироваться в регулярный профиль многолучевого типа, а после подачи в скважину расправляться в круглый профиль. Эта операция в настоящее время выполняется иногда посредством сжатой жидкости и последующей раскаткой блоком роликов. Однако при этом производительность процесса недостаточна. Использование процесса раздачи конусным пуансоном приводят к значительному увеличению производительности и повышению качества раздачи [2]. Подобный способ применим и при лейнировании изношенных насосно-компрессорных труб [3,4].
Математическое моделирование для выбора параметров технологического инструмента должно включать построение твердотельной модели процесса и разработку системы уравнений, описывающих их взаимодействие [5, 6]. В этой связи, для решения поставленной выше задачи
рассмотрим деформацию труб пуансоном в канале скважины и ограничивающим свободную раздачу. Схема сил, действующих при раздаче, указана на рис. 2. Использовали ортогональную систему координат ХОУ, на которой показали в приращениях силы, действующие на пуансон. Учитывали упрочнение материала трубы, величину силы трения при деформации трубы. Силу, действующая нормально по отношению к пуансону на один выступ профиля, аналогично с расчетом для гранки полос, находим по формуле:
дР, = 2о3 (X) ^ &х , (1)
Ь( х)
где о (х) - предел текучести материала с учетом упрочнения; £(х) -толщина стенки; Ь(х) - расстояние между вершинами выступов профиля трубы.
а б
Рис. 1 - Схема процесса раздачи профильной трубы: а - поперечное сечение; б - геометрическая модель, где 1 - профильная труба; 2 - пуансон Уравнение равновесия, учитывающее величину сил трения на контакте трубы и пуансона, имеет следующий вид:
dQ -dp(sina + f cosa) = 0 , (2)
и
Рис. 2. - Схема сил, воздействующих на пуансон Сопротивление деформации а (х) приняли в виде линейной зависимости:
а8 (х) = а^ + сх , (3)
где с=(а„ )/1; а, и а5 - исходное и конечное сопротивление
деформации; I - длина пуансона вдоль его продольной оси.
В процессе движения пуансона труба меняет форму, из профильной приобретая круглую форму. Расстояние между двумя соседними выступами профиля при этом меняется от Ь0 в начальном до Ь1 в выправленном состоянии. Его можно определить по формуле:
а(х) = а - ах , (4)
где а = (а -а0)/1.
Учитывали изменения толщины стенки трубы при раскатке. Подставляя выражения (3), (4) в уравнение (2) и записав интеграл по осевой координате, получаем:
• а + сх
Га +
Р = 2s] —^-ах , (5)
0 ах
После дальнейших вычислений и подстановок, выражение приобретает
вид:
1
и
P = 2S2
as ln(—-—) + 4(ln—^ + -b°--1)
0 b ~ al а b ~ al b _ al
(6)
Учтем, что деформируется труба с n лучами, и произведем интегрирование почленно для осевого усилия на пуансон:
Q = 2pn(sin а + f cos а) (7)
По известной степенной зависимости определим численное значение сопротивления деформации о^ и подставим его в (3):
= °S0 + , (8)
где а и m - справочные значения эмпирических коэффициентов, которые задают кривую упрочнения материала [7].
Интенсивность деформации st найдем [8] в виде:
_ 2 2 RH s0
Si~Тз(RH+HRz* '
где R. и R - начальный и конечный радиусы кривизны профиля; s0 и s -начальная и конечная толщина стенки трубы.
Угол конусности пуансона определяется его параметрами -наибольшим и наименьшим диаметрами и длиной конусной части. Подбор наименьшего диаметра конуса d произведен таким образом, что он несколько меньше диаметра вписанной окружности профиля dBn (рис. 1а).
Принимая во внимание двойную толщину стенки труб 2s и допустимую величину упругой деформации герметика А, нанесенного на наружный диаметр, наибольший диаметр пуансона D должен при раздаче обеспечить перекрытие диаметра скважины D :
D = DCKB-2s-№ , (10)
Минимум осевого усилия Q на пуансоне обеспечивается тогда, когда угол конусности а равен углу трения р пунсона по материалу трубы, что выражается следующим образом:
(р = arctgf,
(11)
где / - коэффициент трения.
Коэффициент трения при раздаче труб варьируется в пределах f = 0,15...0,25, а получаемый оптимум значения угла конусности составляет
а = 8°30...14°. Определив значения Б и й, а также задавшись оптимальным углом конусности аопт, найдем длину пуансона I, исходя из выражения:
Установлена в работе [9] зависимость напряженно-деформированного состояния металла деформируемых труб от формы инструмента. Для профильной трубы шестилучевой формы, имеющей исходный диаметр трубы 326 мм, толщину стенки 6 мм и изготовленной из стали 20, проведены расчеты по выражениям (7), (8) и (9). Они показывают, что величина осевого усилия не выше 60-65 кН и раздачу можно выполнить при помощи действия веса колонны труб либо специальным гидравлическим проталкивающим устройством [10].
1. Абдрахманов Г.С. Крепление скважин экспандируемыми трубами. Самара: Изд. дом «Росинг», 2003. 228 с.
2. Bezukladnikov A.I., Parshin S.V. Pipe proofing by manderls // Russian Engineering Research. 2015. 35, V.12. pp. 924-926.
3. Богатов Н.А., Богатов А.А., Салихьянов Д.Р. Восстановление служебных характеристик насосно-компрессорных труб, отработавших первоначальный эксплуатационный ресурс, методом лейнирования // Металлург. 2014. № 11. С. 80-84.
4. Богатов Н.А., Богатов А.А., Салихьянов Д.Р. Лейнированные коррозионностойкие насосно-компрессорных трубы // Сталь. 2014. № 11. С.
/ = 0,5[£>сю? - (2s + d) -+0] / tgac
опт
(12)
Литература
86-88.
5. Овчинников М.А., Сокол В.А., Соловьева О.Ю., Тарасова Т.А., Грецова Н.В., Клячина Н.В., Лагунов Е.Н. Математическое моделирование изделий из композитных материалов с заданными свойствами // Инженерный вестник Дона, 2023, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2023/8131
6. Осипов А.А., Семенова Н.В. Моделирование влияния отклонений диаметра заготовки на точность размеров при изготовлении профильных труб с целью совершенствования процесса // Инженерный вестник Дона, 2020, № 12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2020/6757
7. Власов А.В. Теория обработки металлов давлением. Москва: МГТУ, 2009. 409 с.
8. Черепахин А.А. Технология конструкционных материалов. Москва: Кнорус, 2019. 406 с.
9. Bezukladnikov A.I., Parshin S.V. Pipe proofing by manderls // Russian Engineering Research. 2016. 36, V. 6. pp. 452-453.
10. Безукладников А.И., Паршин С.В. Разработка устройства для раздачи труб // Современные проблемы теории машин. 2015. 1, V. 3. C. 255256.
References
1. Abdrahmanov G. S. Krepleniye skvazhin ekspandiruyemymi trubami [Well casing with expandable tube]. Samara: Rosing, 2003. 228 p.
2. Bezukladnikov A.I., Parshin S.V. Russian Engineering Research. 2015. 35, V.12. pp. 924-926.
3. Bogatov N.A., Bogatov A.A., Salikhyanov D.R. Metallurg. 2014. 11. pp.
80-84.
4. Bogatov N.A., Bogatov A.A., Salikhyanov D.R. Steel. 2014. 11. pp. 8688.
5. Ovchinnikov M.A., Sokol V.A., Solov'yeva O.YU., Tarasova T.A., Gretsova N.V., Klyachina N.V., Lagunov Ye.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2023/8131.
6. Osipov A.A., Semenova N.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, № 12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2020/6757.
7. Vlasov A.V. Teoriya obrabotki metallov davleniyem [Theory of metal forming]. Moskva: MGTU, 2009. 409 p.
8. Cherepahin A.A. Tekhnologiya konstruktsionnykh materialov [Structural materials technology]. Moskva: Knorus, 2019. 406 p.
9. Bezukladnikov A.I., Parshin S.V. Russian Engineering Research. 2016. 36, V. 6. pp. 452-453.
10. Bezukladnikov A.I., Parshin S.V. Sovremennye problemy teorii mashin. 2015. 1, V. 3. pp. 255-256.
