МЕХАНИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ
.pdf
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
6. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ОБСАДНОЙ ТРУБЫ СКВАЖИНЫ
Цель работы: проверить расчетом прочность и устойчивость обсадной трубы скважины, пробуренной в жесткопластическом массиве горных пород.
Исходные данные: в породном массиве пробурена скважина диаметром d, обсаженная для обеспечения устойчивости стальной трубой с толщиной t. Скважина пересекает слой покрывающей толщи пород мощностью h1 и входит в слой обводненных пород на глубину h2. В слое обводненных пород содержатся воды с известным гидростатическим напором. Проверить расчетом прочность и устойчивость обсадной трубы с заданными параметрами. Выполнить подбор наиболее рациональной толщины обсадной трубы по условиям прочности и устойчивости.
Привести расчетную схему и эпюры распределения геостатического и гидростатического давлений на обсадную трубу скважины.
Расчетные положения:
В рамках данного расчетно-графического задания предполагается использование жесткопластической модели массива пород. Для этой модели коэффициент бокового распора следует определять следующим образом:
λ = |
90 − |
, |
2 |
где – угол внутреннего трения.
Расчетная схема для определения расчетного давления на обсадную трубу скважины приведена на рисунке 5. На эту расчетную схему нанесены типовые эпюры распределения геостатического и гидростатического давления на обсадную трубу скважины.
Для определения величины геостатического давления на глубине h от земной поверхности следует использовать следующую формулу:
геост |
= λ γ = γ∙h∙ |
90 − |
, |
|
2 |
||
|
21 |
|
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
где λ и – соответственно коэффициент бокового распора и угол внутреннего трения i-го слоя.
Pгеост.1к=0 |
P |
Pгеост.1п
Pгидрост.2к=0 Pгеост.2к
h |
Pгидрост.2п |
Pгеост.2п |
Рисунок 5 – Расчетная схема для определения давления на обсадную трубу скважины
Для определения величины гидростатического давления на глубине h от уровня грунтовых вод следует использовать следующую формулу:
где |
γ |
= 10 кН/м |
– |
|
гидрост = γ , |
||
|
|
|
|
|
|
удельный вес воды. |
|
|
|
Расчетную нагрузку на обсадную трубу следует определять |
|||||
по следующей формуле: |
геост.макс + гидрост.макс, |
||||||
где |
|
|
и |
|
расч = |
||
|
|
геост.макс |
|
гидрост.макс |
– соответственно наибольшие значения |
||
|
|
|
|
||||
гидростатического и геостатического давлений по трассе скважины. Стальные несущие конструкции следует проверять расчетом на прочность и устойчивость под действием расчетной нагрузки.
22
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Расчетная схема при выполнении расчетов на прочность и устойчивость приведена на рисунке 6.
2-2 Pрасч
1 |
1 |
|
Pрасч |
|
1-1 |
2 |
2 |
Pрасч |
Pрасч |
Рисунок 6 – Расчетная схема участка обсадной трубы для проверки расчетом на прочность и устойчивость
Проверку расчетом на прочность следует выполнять исходя из следующего условия:
где ср = |
|
|
|
расч ∙ |
ср |
|
доп |
|
доп = |
|
– радиус |
трубы по середине толщины стенки; |
|||||||
|
|||||||||
|
= |
∙ |
|
≤ |
|
, |
|||
370 МПа – расчетное сопротивление материала трубы (стали). Расчет минимально необходимой толщины стенки трубы по
условию прочности следует выполнять по вышеприведенной
формуле, выразив из нее и полагая, что = доп.
Проверку расчетом на устойчивость следует выполнять исходя из следующего условия:
кр = 3∙ |
|
∙ ≥ расч, |
ср |
23
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
где |
|
– условная физическая жесткость материала трубы |
||||||||
|
||||||||||
|
= 210 ГПа |
– |
модуль |
упругости |
стали; |
= 0,2 |
– |
|||
(стали);= |
|
|
||||||||
коэффициент |
Пуассона |
стали; |
= |
|
– |
момент |
инерции |
|||
|
||||||||||
продольного сечения трубы. |
|
|
|
|
|
|||||
Расчет минимально необходимой толщины стенки трубы по условию устойчивости следует выполнять по вышеприведенной
формуле, выразив из нее и полагая, что |
|
|
. |
|
В качестве минимально |
необходимой толщины стенки трубы |
|||
|
расч = |
кр |
|
|
следует принимать максимальную расчетную толщину стенки, полученную по условиям прочности и устойчивости.
Последовательность выполнения расчетно-графической работы:
1.Выполняется определение величин геостатического давления по трассе обсадной трубы скважины и отстраивается эпюра.
2.Выполняется определение величин гидростатического давления по трассе обсадной трубы скважины и отстраивается эпюра.
3.Определяется величина расчетной нагрузки на обсадную трубу скважины.
4.Выполняется проверка обсадной трубы с заданными параметрами на прочность. Определяется минимально необходимая толщина стенки обсадной трубы по условию прочности.
5.Выполняется проверка обсадной трубы с заданными параметрами на устойчивость. Определяется минимально необходимая толщина стенки обсадной трубы по условию устойчивости.
24
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.ГОСТ 21153.0-75 «Породы горные. Методы физических испытаний».
2.ГОСТ 21153.2-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии».
3.ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении».
4.ГОСТ 21153.8-88 «Породы горные. Методы определения предела прочности при объемном сжатии».
5.Шинкин, В.Н. Механика сплошных сред: Курс лекций: учеб. пособие — Электрон. дан. — Москва : МИСИС, 2010.
6.Протосеня А.Г. Геомеханика: Учеб пособие // А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) СПб, 2008. 117 с.
7.Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для вузов. В 2 т. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. – Т.1. Основы геомеханики. – 208 с.
25
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ №1
№ |
|
|
|
|
№ испытания |
|
|
|
|
|
варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
1 |
3,40 |
3,20 |
3,10 |
3,16 |
3,50 |
3,18 |
3,40 |
3,20 |
3,44 |
3,20 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
34,0 |
33,0 |
32,0 |
32,6 |
34,8 |
32,8 |
35,0 |
33,2 |
35,2 |
33,0 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
2 |
1.9 |
1.7 |
1.6 |
1.66 |
2 |
1.68 |
1.9 |
1.7 |
1.94 |
1.7 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
18.5 |
17.5 |
16.5 |
17.1 |
19.3 |
17.3 |
19.5 |
17.7 |
19.7 |
17.5 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
3 |
4.23 |
4.03 |
3.93 |
3.99 |
4.33 |
4.01 |
4.23 |
4.03 |
4.27 |
4.03 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
46.5 |
45.5 |
44.5 |
45.1 |
47.3 |
45.3 |
47.5 |
45.7 |
47.7 |
45.5 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
4 |
0.78 |
0.58 |
0.48 |
0.54 |
0.88 |
0.56 |
0.78 |
0.58 |
0.82 |
0.58 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
9.1 |
8.1 |
7.1 |
7.7 |
9.9 |
7.9 |
10.1 |
8.3 |
10.3 |
8.1 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
5 |
6.08 |
5.88 |
5.78 |
5.84 |
6.18 |
5.86 |
6.08 |
5.88 |
6.12 |
5.88 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
54.2 |
53.2 |
52.2 |
52.8 |
55 |
53 |
55.2 |
53.4 |
55.4 |
53.2 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
6 |
1.27 |
1.07 |
0.97 |
1.03 |
1.37 |
1.05 |
1.27 |
1.07 |
1.31 |
1.07 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
13.4 |
12.4 |
11.4 |
12 |
14.2 |
12.2 |
14.4 |
12.6 |
14.6 |
12.4 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
7 |
6.77 |
6.57 |
6.47 |
6.53 |
6.87 |
6.55 |
6.77 |
6.57 |
6.81 |
6.57 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
62.5 |
61.5 |
60.5 |
61.1 |
63.3 |
61.3 |
63.5 |
61.7 |
63.7 |
61.5 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
8 |
3.63 |
3.43 |
3.33 |
3.39 |
3.73 |
3.41 |
3.63 |
3.43 |
3.67 |
3.43 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
35.9 |
34.9 |
33.9 |
34.5 |
36.7 |
34.7 |
36.9 |
35.1 |
37.1 |
34.9 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
9 |
2.16 |
1.96 |
1.86 |
1.92 |
2.26 |
1.94 |
2.16 |
1.96 |
2.2 |
1.96 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
21.1 |
20.1 |
19.1 |
19.7 |
21.9 |
19.9 |
22.1 |
20.3 |
22.3 |
20.1 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
10 |
1.44 |
1.24 |
1.14 |
1.2 |
1.54 |
1.22 |
1.44 |
1.24 |
1.48 |
1.24 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
14.2 |
13.2 |
12.2 |
12.8 |
15 |
13 |
15.2 |
13.4 |
15.4 |
13.2 |
26
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
27
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Продолжение приложения 1
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
11 |
0.85 |
0.65 |
0.55 |
0.61 |
0.95 |
0.63 |
0.85 |
0.65 |
0.89 |
0.65 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
7.9 |
6.9 |
5.9 |
6.5 |
8.7 |
6.7 |
8.9 |
7.1 |
9.1 |
6.9 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
12 |
6.34 |
6.14 |
6.04 |
6.1 |
6.44 |
6.12 |
6.34 |
6.14 |
6.38 |
6.14 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
57 |
56 |
55 |
55.6 |
57.8 |
55.8 |
58 |
56.2 |
58.2 |
56 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
13 |
5.02 |
4.82 |
4.72 |
4.78 |
5.12 |
4.8 |
5.02 |
4.82 |
5.06 |
4.82 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
42.8 |
41.8 |
40.8 |
41.4 |
43.6 |
41.6 |
43.8 |
42 |
44 |
41.8 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
14 |
3.99 |
3.79 |
3.69 |
3.75 |
4.09 |
3.77 |
3.99 |
3.79 |
4.03 |
3.79 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
30.5 |
29.5 |
28.5 |
29.1 |
31.3 |
29.3 |
31.5 |
29.7 |
31.7 |
29.5 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
15 |
7.42 |
7.22 |
7.12 |
7.18 |
7.52 |
7.2 |
7.42 |
7.22 |
7.46 |
7.22 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
67.3 |
66.3 |
65.3 |
65.9 |
68.1 |
66.1 |
68.3 |
66.5 |
68.5 |
66.3 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
16 |
8.45 |
8.25 |
8.15 |
8.21 |
8.55 |
8.23 |
8.45 |
8.25 |
8.49 |
8.25 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
74.9 |
73.9 |
72.9 |
73.5 |
75.7 |
73.7 |
75.9 |
74.1 |
76.1 |
73.9 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
17 |
2.03 |
1.83 |
1.73 |
1.79 |
2.13 |
1.81 |
2.03 |
1.83 |
2.07 |
1.83 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
12.6 |
11.6 |
10.6 |
11.2 |
13.4 |
11.4 |
13.6 |
11.8 |
13.8 |
11.6 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
18 |
10.11 |
9.91 |
9.81 |
9.87 |
10.21 |
9.89 |
10.11 |
9.91 |
10.15 |
9.91 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
94.5 |
93.5 |
92.5 |
93.1 |
95.3 |
93.3 |
95.5 |
93.7 |
95.7 |
93.5 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
19 |
4.34 |
4.14 |
4.04 |
4.1 |
4.44 |
4.12 |
4.34 |
4.14 |
4.38 |
4.14 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
43.6 |
42.6 |
41.6 |
42.2 |
44.4 |
42.4 |
44.6 |
42.8 |
44.8 |
42.6 |
|
|
|
|
|
σр, МПа |
|
|
|
|
|
20 |
9.08 |
8.88 |
8.78 |
8.84 |
9.18 |
8.86 |
9.08 |
8.88 |
9.12 |
8.88 |
|
|
|
|
σсж, МПа |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
84.2 |
83.2 |
82.2 |
82.8 |
85 |
83 |
85.2 |
83.4 |
85.4 |
83.2 |
28
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 – ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ №2
|
Глубина |
Удельный |
|
|
Сцепление |
Угол |
|
№ |
заложения |
E, |
|
внутреннего |
|||
вес пород |
ν |
пород C, |
|||||
варианта |
выработки |
МПа |
трения пород |
||||
γ, МН/м3 |
|
МПа |
|||||
|
H, м |
|
|
|
|
φ, град. |
|
1 |
365 |
0,021 |
1000 |
0,31 |
1,8 |
26 |
|
2 |
390 |
0,023 |
1200 |
0,26 |
2,0 |
24 |
|
3 |
410 |
0,024 |
810 |
0,17 |
2,2 |
30 |
|
4 |
490 |
0,022 |
560 |
0,44 |
2,3 |
32 |
|
5 |
350 |
0,024 |
10000 |
0,23 |
2,4 |
24 |
|
6 |
495 |
0,026 |
8000 |
0,25 |
2,6 |
38 |
|
7 |
630 |
0,021 |
690 |
0,32 |
2,7 |
36 |
|
8 |
380 |
0,023 |
4200 |
0,34 |
2,0 |
34 |
|
9 |
440 |
0,024 |
2100 |
0,13 |
1,9 |
32 |
|
10 |
680 |
0,023 |
4000 |
0,38 |
1,3 |
30 |
|
11 |
630 |
0,022 |
600 |
0,43 |
1,6 |
34 |
|
12 |
480 |
0,026 |
850 |
0,20 |
1,8 |
28 |
|
13 |
630 |
0,023 |
7000 |
0,38 |
1,4 |
40 |
|
14 |
700 |
0,024 |
14000 |
0,32 |
1,5 |
32 |
|
15 |
750 |
0,025 |
18000 |
0,22 |
2,2 |
28 |
|
16 |
275 |
0,021 |
250 |
0,35 |
1,5 |
30 |
|
17 |
295 |
0,022 |
320 |
0,38 |
1,4 |
28 |
|
18 |
355 |
0,023 |
720 |
0,35 |
1,6 |
26 |
|
19 |
375 |
0,024 |
650 |
0,33 |
2 |
24 |
|
20 |
455 |
0,025 |
2500 |
0,31 |
2,1 |
22 |
29
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 – ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ №3
|
Глубина |
|
|
|
Угол |
|
№ |
Удельный |
Сцепление |
Сцепление |
внутреннего |
||
заложения |
||||||
вес пород |
пород C┴, |
пород C||, |
трения |
|||
варианта |
выработки |
|||||
γ, МН/м3 |
МПа |
МПа |
пород φ, |
|||
H, м |
||||||
|
|
|
|
град. |
||
|
|
|
|
|
||
1 |
780 |
0,023 |
6,5 |
1,5 |
26 |
|
2 |
690 |
0,025 |
5,2 |
2,0 |
24 |
|
3 |
920 |
0,026 |
4,9 |
2,3 |
30 |
|
4 |
745 |
0,024 |
8,6 |
1,6 |
32 |
|
5 |
875 |
0,023 |
4,9 |
2,4 |
24 |
|
6 |
960 |
0,028 |
8,9 |
2,1 |
38 |
|
7 |
420 |
0,023 |
5,4 |
2,4 |
36 |
|
8 |
485 |
0,025 |
8,5 |
2,5 |
34 |
|
9 |
760 |
0,024 |
6,4 |
3,1 |
32 |
|
10 |
670 |
0,022 |
4,2 |
1,6 |
30 |
|
11 |
450 |
0,021 |
5,6 |
2,8 |
34 |
|
12 |
1015 |
0,025 |
7,7 |
3,2 |
28 |
|
13 |
750 |
0,021 |
6,9 |
1,8 |
40 |
|
14 |
63 |
0,023 |
4,8 |
2,3 |
30 |
|
15 |
890 |
0,024 |
5,4 |
2,1 |
25 |
|
16 |
715 |
0,022 |
8,2 |
1,2 |
32 |
|
17 |
835 |
0,024 |
4,5 |
3,0 |
42 |
|
18 |
1040 |
0,026 |
9,3 |
1,9 |
22 |
|
19 |
480 |
0,021 |
5,8 |
2,6 |
38 |
|
20 |
525 |
0,023 |
8,2 |
2,2 |
33 |
30