Л. 4 расчет общего усилия протаскивания р

Л.4.1 Общее усилие протаскивания Р определяется как сумма всех видов сопротивления движению газопровода и расширителя в буровом канале:

(56)

где Р — общее усилие протаскивания;

Р_р — лобовое сопротивление движению расширителя;

— усилие перемещения буровых штанг;

Р_гп — усилие протаскивания газопровода, которое рассчитывается по формуле

(57)

где Р ₂ — сила трения от веса газопровода (в буровом канале);

Р ₃ — увеличение силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову);

Р ₄ — увеличение силы трения от наличия на трубе газопровода выступов за пределы наружного диаметра;

Р ₅ — дополнительные силы трения от опорных реакций;

Р ₆ — усилие сопротивления перемещению газопровода в зоне заглубления в буровой канал;

Р ₇ — увеличенное сопротивление перемещению при переходе от прямолинейного движения к криволинейному;

Р ₈ — сила трения от веса газопровода, находящегося вне бурового канала.

Расчет общего усилия протаскивания выполняется для двух пограничных состояний:

- при благоприятных условиях: при наличии качественного бурового раствора, отсутствии фильтрации раствора в грунт, при хорошо сформированном и стабильном буровом канале;

- при неблагоприятных условиях: при обрушении грунта по длине бурового канала и фильтрации раствора в грунт.

Л.4.2 Лобовое сопротивление движению расширителя Р_р рассчитывается по формуле

(58)

где Р_г — сила сопротивления бурению, Н;

l_i — текущая длина бурового канала от точки забуривания до точки выхода из земли (так как протаскивание газопровода начинается с конечной точки бурового канала, то текущая длина будет изменяться в интервале от 1 до 0), м;

R — радиус кривизны бурового канала, м;

— условный коэффициент трения вращающегося расширителя о грунт, смоченный буровым раствором, рассчитывается по формуле

(59)

где f_рш — коэффициент трения стального расширителя о грунт, смоченный буровым раствором;

d_рш — диаметр расширителя, м;

h — подача на оборот, м.

Сила сопротивления бурению Р_г рассчитывается по формуле

(60)

где р — давление жидкости на выходе из сопел расширителя, Н/м² (Па) (характеристика оборудования буровой установки);

— диаметр выступа буровых штанг, м.

Л.4.3 Силу трения от веса газопровода Р ₂ рассчитывают по формуле

(61)

где q — погонный вес газопровода за вычетом выталкивающей силы бурового раствора, Н/м;

R — расчетный радиус кривизны бурового канала, м;

f — коэффициент трения газопровода о грунт, смоченный буровым раствором;

l — длина бурового канала;

l_i — текущая длина бурового канала (в интервале от 1 до 0), м;

— углы в радианах (1 рад. — 57, 3°).

Погонный вес газопровода q (за вычетом выталкивающей силы бурового раствора) рассчитывается по формуле

(62)

где g _т — удельный вес материала трубы газопровода, Н/м³;

g _ж — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

d_н — наружный диаметр трубы газопровода, м;

d — толщина стенки трубы газопровода, м.

Л.4.4 Увеличение силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову) Р ₃ рассчитывается по формуле

(63)

где q_г — погонный вес грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), рассчитывается по формуле

(64)

где m — коэффициент бокового давления;

— объемный вес грунта с учетом разрыхления при его обрушении на газопровод, рассчитывается по формуле

(65)

где g _г — удельный объемный вес грунта в естественном залегании, Н/м³;

k — коэффициент высоты свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), рассчитывается по формуле (34) для благоприятных условий.

Погонный вес грунта зоны естественно свода равновесия будет рассчитываться по формуле

(66)

а усилие Р _3(а) — по формуле

(67)

где k — коэффициент высоты свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), рассчитывается по формуле (38) для неблагоприятных условий.

Погонный вес грунта зоны естественно свода равновесия будет рассчитываться по формуле

(68)

а усилие P _3(б) будет рассчитываться по формуле

(69)

Л.4.5 Увеличение силы трения от наличия на трубе газопровода выступов за пределы наружного диаметра Р ₄ рассчитывается по формуле

(70)

где q_б — погонная сила сопротивления буртов земли, Н/м, образованных выступами, которая рассчитывается по формулам

а) при благоприятных условиях:

(71)

где а — расстояние между выступами на газопроводе, м;

g _в — удельный вес воды, Н/м³;

D Р ₃ — потеря давления бурового раствора между выступом и стенкой скважины на длине выступа, которая рассчитывается по формуле

(72)

где Q_ж — расход бурового раствора, м³/с;

L ₃ — длина выступа, м;

d ₃ — наружный диаметр выступа, м;

d_рш — наружный диаметр расширителя, м;

D Р_т — потеря давления бурового раствора между газопроводом и стенкой скважины на длине выступа, рассчитывается по формуле

(73)

Усилие Р _4(а) рассчитывается по формуле

(74)

б) при неблагоприятных условиях:

(75)

где d _упл — напряжение уплотнения грунта, рассчитывается по формуле

— для песчаных грунтов, Н/м² (Па),

где А — площадь вертикального сечения бурта, рассчитывается по формуле

(76)

где n ₀ — пористость грунта в естественном залегании;

D n — приращение пористости грунта при обрушении грунта зоны свода равновесия, которое рассчитывается по формуле

(77)

Усилие Р _4(б) рассчитывается по формуле

(78)

Л.4.6 Дополнительные силы трения от опорных реакций Р ₅ рассчитываются по формуле

(79)

где Р_и — силы трения от опорных реакций, определяющих изгиб газопровода, которые рассчитываются по формуле

(80)

где Е — модуль упругости материала газопровода, Н/м² (Па);

В — плечо опорных реакций, рассчитывается по формуле

(81)

Л.4.7 Сопротивление перемещению в зоне заглубления газопровода в буровой канал за счет смятия стенки Р ₆ рассчитывается по формуле

(82)

где Р_с — сила смятия стенки скважины при забуривании, которая рассчитывается по формуле

(83)

Л.4.8 Увеличенное сопротивление при переходе от прямолинейного движения к криволинейному перед выходом газопровода из земли Р ₇ рассчитывается по формуле

(84)

Л.4.9 Сила трения от веса газопровода, находящегося вне бурового канала, P ₈ определяется по формуле

(85)

где f_гп — коэффициент трения газопровода о грунт;

q_гп — погонный вес 1 м трубы газопровода.

Л.4.10 Расчет усилия протаскивания газопровода Р_гп по буровому каналу:

а) при благоприятных условиях:

(86)

б) при неблагоприятных условиях (обрушении грунта по всей длине бурового канала и при полной фильтрации бурового раствора в грунт):

(87)

Фактическое усилие протаскивания газопровода Р_{гп(факт)} будет находиться между пограничными значениями Р_гп(а) и Р_гп(б).

Л.4.11 Усилие перемещения буровых штанг представляет собой суммарное усилие, рассчитанное для проходки пилотной скважины, за вычетом усилия Р₁ (лобового сопротивления бурению):

а) для благоприятных условий:

(88)

б) для неблагоприятных условий:

(89)

Л.4.12 Расчет общего усилия протаскивания Р:

а) при благоприятных условиях:

(90)

б) при неблагоприятных условиях (обрушении грунта по длине бурового канала и фильтрации бурового раствора в грунт):

(91)

Фактическое общее усилие протаскивания Р_факт в реальных условиях будет находиться между пограничными значениями Р _(а) и Р _(б).

По максимальной величине усилия Р _(б) уточняется правильность выбора бурильной установки. Максимальное значение Р _(б) всегда должно быть меньше тягового усилия выбранной бурильной установки.

Л.4.13 Суммарный крутящий момент для вращения буровой головки и штанг при прокладке пилотной скважины рассчитывается по формуле

(92)

где — крутящий момент на преодоление осевых сопротивлений;

— крутящий момент на проворачивание буртов;

— крутящий момент на разрушение забоя.

Л.4.14 Крутящий момент на преодоление осевых сопротивлений рассчитывается по формуле

— при благоприятных условиях; (93)

— при неблагоприятных условиях; (94)

где — суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(95)

— суммарное осевое усилие при неблагоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(96)

где (97)

(условное обозначение величин — см. Л.3.2);

(98)

(условное обозначение величин — см. Л.3.3);

— при благоприятных условиях; (99)

— при неблагоприятных условиях (100)

(условное обозначение величин — см. Л.3.4);

— при благоприятных условиях; (101)

— при неблагоприятных условиях (102)

(условное обозначение величин — см. Л.3.5);

(103)

(условное обозначение величин — см. Л.3.6);

(104)

(условное обозначение — см. Л.3.7).

Л.4.15 Крутящий момент на проворачивание буртов рассчитывается по формуле

— при благоприятных условиях; (105)

— при неблагоприятных условиях. (106)

В данном расчете применяется коэффициент f.

Обозначение величин — см. Л.3.2.

Л.4.16 Крутящий момент на разрушение забоя при механическом разрушении забоя вращающейся буровой головкой рассчитывается по формуле

(107)

где К_р — удельное сопротивление резанию грунта при прямолинейном движении резца, которое принимается согласно таблице Л.3; обозначение прочих величин — см. Л.3.5.

Таблица Л.3

Л.4.17 Суммарный крутящий момент для вращения расширителя и штанг при протаскивании газопровода по буровому каналу:

(108)

где М_к — крутящий момент на преодоление осевых сопротивлений;

М_кб — крутящий момент на проворачивание буртов;

М_кр — крутящий момент на разрушение забоя.

Л.4.18 Крутящий момент на преодоление осевых сопротивлений рассчитывается по формуле

— при благоприятных условиях; (109)

— при неблагоприятных условиях, (110)

где — суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(111)

— суммарное осевое усилие при неблагоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(112)

где

(условное обозначение величин — см. Л.4.2);

(113)

(условное обозначение величин — см. Л.3.3.);

— при благоприятных условиях; (114)

— при неблагоприятных условиях (115)

(условное обозначение величин — см. Л.3.4);

— при благоприятных условиях; (116)

— при неблагоприятных условиях (117)

(условное обозначение величин — см. Л.3.5);

(118)

(условное обозначение величин — см. Л.3.6);

(119)

(условное обозначение — см. Л.3.7).

Л.4.19 Крутящий момент на проворачивание буртов М_кб рассчитывается по формуле

— при благоприятных условиях; (120)

— при неблагоприятных условиях. (121)

В данном расчете применяется коэффициент f.

Условные обозначения величин — см. Л.4.5.

Л.4.20 Крутящий момент на разрушение забоя М_кр (при механическом разрушении забоя вращающейся буровой головкой) рассчитывается по формуле

(122)

где К_р — удельное сопротивление резанию грунта при прямолинейном движении резца, которое принимается согласно таблице Л.3.

Условное обозначение величин — см. Л.4.2.

По максимальному значению уточняют выбор бурильной установки по крутящему моменту.

Л.4.21 Перед протаскиванием газопроводов из полиэтиленовых труб по буровому каналу необходимо рассчитать эксплуатационные нагрузки на трубу газопровода по двум критериям:

- по предельной величине внешнего равномерного радиального давления;

- по условию предельной овализации поперечного сечения трубы.

Л.4.22 Несущую способность подземного газопровода из полиэтиленовых труб по предельной величине внешнего равномерного радиального давления следует проверять соблюдением неравенства

(123)

где Р_кр — предельная величина внешнего равномерного радиального давления, при которой обеспечена устойчивость круглой формы стенки трубы, Н/м²;

k ₂ — коэффициент условий работы трубопровода на устойчивость, принимаемый < 0, 6;

Р_г — давление грунта свода обрушения;

Р_гв — гидростатическое давление грунтовых вод;

Р_тп — давление от веса транспортных потоков;

h _тп, h _г, h _гв — коэффициенты перегрузки, принимаемые согласно таблице Л.4.

Таблица Л.4

Л.4.23 За критическую величину Р_кр предельного внешнего радиального давления следует принимать меньшее из значений, вычисленных по формулам:

(124)

(125)

где Р_л — параметр, характеризующий жесткость трубопровода, Н/м², который вычисляется по формуле

(126)

где d_н — наружный диаметр газопровода, м;

d — толщина стенки, м;

Е — модуль ползучести полиэтилена, Н/м², который вычисляется по формуле

, (127)

где Е ₀ — модуль ползучести в зависимости от срока службы газопровода и напряжения в стенке трубы, выбираемый по таблице Л.5;

Таблица Л.5

k_e — коэффициент, учитывающий влияние температуры на деформационные свойства материла, определяемый из таблицы Л.6;

Таблица Л.6

Р_гр — параметр, характеризующий жесткость грунта, Н/м², который вычисляется по формуле

(128)

где Е_гр — модуль деформации грунта засыпки, Н/м², определяемый по таблице Л.7.

Таблица Л.7