43 Схема взаємодії кільцевидного наконечника з грунтом

Напірне зусилля (рис. 9.3) формується із сил опору проникнення конусної частини кільцевидного накінечника Wк, опорів по зовнішній W'ц і внутрішній W''ц циліндричних поверхнях інструмента, а також із опору сили тертя керна по трубі Wкр. Розрахункова схема взаємодії кільцевидного накінечника з ґрунтом представлена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схема дії сил на кільцевидний наконечник

На зовнішню поверхню інструмента діє нормальний тиск від стінок свердловини q'ц, на внутрішню – нормальний тиск від керна q''ц. На лінії переходу циліндричних поверхонь інструмента на зовнішній і внутрішній конуси на останні відповідно діє нормальний тиск q'к і q''к пропорційний куту загострення інструмента α.

44 Розрахунок напірного зусилля для протискування кільцевидного наконечника

На зовнішню поверхню інструмента діє нормальний тиск від стінок свердловини q'ц, на внутрішню – нормальний тиск від керна q''ц. На лінії переходу циліндричних поверхонь інструмента на зовнішній і внутрішній конуси на останні відповідно діє нормальний тиск q'к і q''к пропорційний куту загострення інструмента α:

(9.1)

Тоді:

(9.2)

Бічні площі зрізаних конусів дорівнюють:

зовнішнього:

(9.3)

внутрішнього:

(9.4)

де D і d – відповідно, зовнішній і внутрішній діаметри кільцевидного накінечника.

Нормальні реакції (N', N'') і сили тертя (F'тр, F''тр), які діють на зовнішній і внутрішній конуси наконечника:

(9.5)

(9.6)

(9.7)

(9.8)

де f – коефіцієнт зовнішнього тертя ґрунту.

Тоді:

(9.9)

Нормальний тиск q'ц і q''ц створюють на зовнішній і внутрішній поверхнях інструмента сили тертя:

(9.10)

Крім визначених сил, опір створює сила тертя керна всередині труби:

(9.11)

де: Lпр – довжина проходки; γкр – питома вага керна.

Таким чином, статичне зусилля для проникнення кільцевидного накінечника труб дорівнює:

У випадку динамічного прикладання навантаження до інструмента кільцевидного перерізу:

(9.13)

Щільність ґрунту у керні апроксимована залежністю:

, (9.14)

де: а=16·103 кг/м3; b=21·102 кг/м4; с=0,38·103 кг/м3.

Отриманий вираз (9.12) показує, що статичне зусилля Рст у значній мірі залежить від співвідношення діаметрів кільцевидного накінечника Кd=D/d і тиску ґрунту на інструмент q'ц і q''ц , які визначені експериментально.

На рис. 9.4 приведені залежності питомих лобових опорів при статичному навантаженні від співвідношення діаметрів.

Рис. 9.4. Залежності питомих лобових опорів від співвідношення Кd для:

1...6 – відповідно D=0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5 м.

Із рисунка видно, що залежності мають яскраво виражений мінімум для Кd=1,4. Це може бути пояснене тим, що проникнення кільця проходить після розсування шарів ґрунту не тільки у бокові стінки свердловини, але і до її центру. Зрозуміло, що при постійному зовнішньому діаметрі інструмента при збільшенні Кd зменшується внутрішній його діаметр. При збільшенні Кd необхідно витратити більше зусилля, щоб витіснити ґрунт у зменшуючий керновий простір. Але до деякого значення Кd це збільшення зусиль має суттєве значення у загальному балансі зусиль, після якого це збільшення не суттєве. Тому необхідно приймати Кd=1,4.

Залежність нормального тиску і коефіцієнта тертя ґрунту на циліндричну частину накінечника приведені на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Залежність нормального тиску ґрунту і коефіцієнта тертя на циліндричній частині накінечника від діаметра свердловини:

1) – qц=f(D); 2) – f=f(D)

Для розрахунків у першому наближенні можна прийняти q'ц=q''ц= qц.

Пит. №45