книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда

Основные данные буровых судов (прототипов), на которых про­ изводились опыты, указаны в табл. 15.

На рис. 66 приведены расчетные и экспериментальные данные по амплитудам колебаний некоторых буровых судов и полупогружных установок, построенных за рубежом (американские, француз­ ские, норвежские). Приведенные расчеты и экспериментальные данные с практической точки зрения приводят к следующим основ­ ным выводам. Для БС с обычными судовыми обводами наиболее эффективным средством уменьшения перемещений сооружения яв­ ляется его ориентация по направлению действия волнения и ветра. Конструктивно это может быть выполнено как при якорной, так и при динамической системе удержания.

Первый способ уменьшения сопротивления судна действию волн — это уменьшение гидродинамических сил, действующих на судно, путем придания корпусу хорошо обтекаемых форм для уменьшения его взаимодействия с волнами. Снижение амплитуд килевой и вертикальной качки на встречном волнении, а также уменьшение слеминга могут быть достигнуты применением шпан­ гоутов в оконечностях судна с умеренной V-образностью и прямо­ линейных или слегка выпуклых ватерлиний в носовой части судна.

Увеличение ширины судна приводит к уменьшению амплитуд бортовой качки, поэтому применение с этой целью судна катама­ рана может быть оправдано. Однако проблемой при проектирова­ нии катамаранов является обеспечение прочности соединительно­ го моста, особенно в условиях сильного волнения. Применение

158

Успокоительной качки может снизить амплитуды колебаний при бортовой качке. При этом использование пассивных стабилизирую­ щих устройств с цистернами может уменьшить амплитуды колеба­ ния в очень узком спектре частот Еолнения, на которое они рас-

Рис. 66. Расчет­ ные и экспери­ ментальные дан­ ные по буровым судам и полупогружен н ы 'М буровым уста­ новкам зару­ бежной по­ стройки:

1 — Дискавер Су­

6 — треугольного

кальной качки, м; h — высота вол­ ны, м

считаны. Эффективность этих цистерн на нерегулярном волнении мала. Применение активных успокоителей бортовой качки и преж­ де всего цистерн с принудительным заполнением балласта требует затрат энергии и, главное, они сложны в изготовлении и эксплуа­

тации.

Уменьшение килевой качки достигается применением стабили­ заторов, установленных в носовой части судна. Хотя использование этого способа и дает некоторое уменьшение амплитуд килевой качки, зато возникает слеминг и вибрация корпуса. Еще не созда­ ны достаточно эффективные устройства для уменьшения килевой качки. В общем, несмотря на применение различных технических средств для уменьшения качки, главным средством остается уве­ личение длины и ширины судна с целью изменения периода качки

159

Г ЛАВ А VIII

РАСЧЕТЫ КОЛОНН БУРОВОГО КОМПЛЕКСА

МЕТОДИКА РАСЧЕТА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Как указывалось ранее, на буровой комплекс, помимо нагру­ зок, известных для обычного бурения на суше, из-за перемещений БС под воздействием внешних сил, действуют дополнительные силы.

Бурильная колонна находится в скважине во время всего про­ цесса бурения, будучи подвешена у ротора. Бурение или про­ мывка скважины не прекращается в любую погоду, за исключе­ нием, разве только, очень жесткого шторма. В связи с чем эксплуа­ тация колонны происходит в наиболее тяжелых условиях по срав­ нению с другими элементами бурового комплекса. При бурении колонна прочно связана с бурящим судном, поэтому при смеще­ нии последнего с точки бурения верхний конец трубы колонны будет получать соответствующие перемещения. Прйнято считать, что бурильная колонна представляет собой, в расчетном отноше­ нии, сплошной стержень с постоянным поперечным сечением и рав­ номерно распределенным по длине весом. Квадратная штанга бу­ рильной колонны плотно входит в ротор на судне, бурильная тру­ ба также практически без зазора проходит в донном устье ствола скважины. Это позволяет считать колонну на участке между дном

исудном однопролетным защемленным по концам стержнем. При этом в случае изменения положения ротора по отношению гори­ зонта на определенный угол, на соответствующий угол повернется

иверхнее сечение стержня, защемленного в роторе.

Как отмечалось, судно под воздействием внешних сил может совершать следующие виды перемещений:

горизонтальное смещение по поверхности воды под действием ветра, волнения и других сил;

колебания в горизонтальной плоскости под действием волне­ ния (горизонтальная качка);

колебания в вертикальной плоскости под действием волнения (вертикальная качка);

вращательные колебания — бортовая и килевая качки.

Все виды перемещений могут иметь место как одновременно, так и в любом сочетании. Соответствующие перемещения будут и

вверхнем конце бурильной колонны.

Врезультате этих перемещений бурильная колонна находится

всложном движении, поэтому рассмотрение задачи в самом об­

щем случае может привести к значительному усложнению расче­ та. Во избежание этого расчетная схема будет упрощена, что поз­ волит избежать трудоемких вычислений.

При исследовании характера движения колонны приняты до­ пущения:

а) все виды колебаний происходят по гармоническому закону. Смещение БС под действием динамически приложенной ветровой нагрузки имеет вид гармонических затухающих колебаний;

б) глубина скважины Н значительно больше глубины моря h в точке бурения;

в) во всех случаях бурильная колонна не касается стенок водо­ отделяющей колонны;

г) фазы циклических нагрузок совпадают по направлению или находятся в наихудшем, в смысле прочности колонны, сочетании.

Определение нагрузки на колонну

‘Так как эти нагрузки вызваны различными по характеру фак­ торами и условиями работы колонны, то представляется удобным для выявления расчетной схемы стержня рассмотреть каждый вид нагрузки в отдельности, по возможности упростить и оценить ее влияние на общую прочность колонны. На рис. 67 показаны схе­ матически различные виды действующих нагрузок.

1. Собственный вес колонны Р (рис. 67,а) равномерно распре­ делен по всей длине колонны от ротора судна до забоя скважины и направлен вертикально вниз. Из второго условия задачи следует, что H>h. Но так как вес колонны Р прямо пропорционален этим величинам в любом сечении колонны, то без особого ущерба для точности расчета можно считать, что полный вес Р приложен у нижней опоры колонны в точке Б. В таком случае колонна на участке АБ как бы растянута двумя силами, равными силе Р

(рис. 67, а).

2. В результате вертикальной качки (рис. 67, б) колонна пере­ мещается в вертикальной плоскости по оси скважины вверх и вниз от нейтрального положения на величину амплитуды качки ±£тахПри гармоническом колебании с частотой шь в любой точке ко­ лонны будем иметь ускорение:

162

Сила инерции, действующая на любой элемент dl колоннУ, определяется как произведение массы элемента Ат на ускорение wв:

абсциссу которого можно определить путем интегрирования на­ грузки по всей высоте колонны. В случае, если колонна в резуль­ тате качки поднимается из скважины, инерционная нагрузка на­

силы инерции в сечениях х = 0 и х — 1, следует заметить, что вслед­ ствие большой глубины скважины по сравнению с глубиной моря в точке бурения (Н>1) можно принять без особого ущерба для точности расчета (как и в случае с весом колонны) за место при­ ложения наибольшей величины F™ax точку Б. В этом случае ко­

Колебание судна на нерегулярном волнении представляет со­ бой сумму гармонических колебаний с заданным спектром, в ко­ тором значение

£шах = 0,642/гв

является одной из возможных ее реализаций. Следовательно, в принципе зависимость между ускорением и амплитудой сохраня­ ется и в этом случае

Стах — ® 2Сщах-

Однако спектральный метод расчета позволяет определить лишь среднюю частоту или период колебаний нерегулярной качки суд­

на, каковым здесь является ю. Желательно же установить пре­ дельное наименьшее значение периода колебаний, которое будет наиболее неблагоприятным в смысле нагрузки на колонну. Ис­ пользуя некоторые данные статистического характера для Каспий­ ского моря, можно утверждать, что редко наблюдается установив­ шееся волнение при значительной высоте волн (3 м и более) с пе­ риодом колебаний менее 7 с. На рис. 68 приведена характерная зависимость между периодом и высотой волны т (hB) [30]. Поэто- 7

164

му для Каспийского моря с целью упрощения расчетов можно условно принять за наименьший период волны т = 7 с. В этом слу­ чае выражение (136) примет вид:

Вертикальные составляющие нагрузки на колонну, вызванные ее весом, слагаются соответственно из собственного веса и инер­ ционных усилий от вертикальной качки. Наибольшее амплитудное

значение этой нагрузки запи­ шется:

формуле (136). Однако это дает представление об инерционном усилии лишь для частного случая волны с определенными задан­ ными элементами. На практике, во время эксплуатации, буровое судно может испытывать колебания на волнах с самыми различ­ ными соотношениями длины X к высоте Лв, следовательно, могут меняться амплитуда и частота колебаний БС. Это создает неудоб­ ство для инженерных расчетов, приходится вычислять инерцион­ ные усилия F ™ах для целого диапазона частот волн и выбирать

наибольшее значение F™ax. Помимо этого, судно может подвер­ гаться наиболее часто встречающейся нерегулярной качке, вы­ званной системой ветровых волн, В этом случае, указывалось

165

ранее, основной характеристикой волнения служит лишь высота волны Лв, а мерой реализации определенной амплитуды качки — обеспеченность процесса. Если имеются расчеты качки БС на не­ регулярном волнении, то нетрудно определить наибольшее уско­ рение при колебаниях. Амплитуда, скорость и ускорение качки будут величинами однозначными, определяемыми лишь состоянием моря (характерной волной). Это удобно при расчетах, так как тре­ бует минимальных вычислений.

Для рассмотренных ранее судов — прототипов БС, наибольшая величина амплитуды вертикальной качки (при нерегулярной кач­ ке) вычисляется по выражению (124)

£max = 0,642ftB

вероятность превышения такой амплитуды практически равна ну­ лю.

в метрах.

Наибольшее вертикальное усилие в колонне определяется с уче­ том коэффициента перегрузки

0,642ЛВ(2я)3 Р1

^g(2,6 + 1,3/гв)2" ’

величина этого коэффициента для различных высот волн приве­ дена на графике рис. 69. Таким образом, величину сил инерции при вертикальной качке и конкретных значениях £тах и со следует определять по формуле (136), а прочность колонны на нерегуляр­ ном волнении при известном значении высоты характерной волны hB— по формуле (137).

3. В результате горизонтальных отклонений бурового судна, которые обычно носят колебательный характер, происходит попе­ речное движение колонны по оси у на участке между дном и ро­ тором (см. рис. 67, в).

Выделив на колонне (рис. 70) элементарный участок длиною dl и массой dm, найдем ускорение точек колонны при гармониче­ ском движении:

зонтальной качки.

4. Колонна на участке между дном и судном участвует в го­ ризонтально поступательном движении, которое можно принять за

166

переносное, и в поступательном вдоль своей оси, которое можно считать относительным. При совместном существовании этих пе­ ремещений в колонне возникает Кариолисово ускорение, которое в нашем случае равно удвоенному векторному произведению угло­ вой скорости вращательного движения (переносного) и относи­ тельной скорости сечения колонны.

Вектор угловой скорости со вращения около точки 0 проходит через эту точку и перпендикулярен плоскости рис. 71, вектор vB

всегда направлен вдоль оси колонны. Следовательно, угол между этими векторами равен 90°, а суммарный вектор направлен в сто­ рону отклонения судна вдоль оси у, т. е. направлен вдоль вектора переносной скорости, а значит и одноименного ускорения.

Таким образом, скалярная величина Кариолисова ускорения равна:

z

Величина этих сил незначительна и в расчет может не прини­ маться.

5. При вертикальных колебаниях колонны в забое возникают гидродинамические силы взаимодействия колонны с окружающей жидкостью. Из гидродинамики известно, что эти силы при нерав­ номерном движении пропорциональны скорости и ускорению. При движении круглого цилиндра в жидкости скоростная составляю-

167