СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строи­тельству газораспределительных систем ч. 3 - Л.4 расчет общего усилия протаскивания р

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;

Р*_п - усилие перемещения буровых штанг;

Р_гп - усилие протаскивания газопровода,

которое рассчитывается по формуле

(57)

где Р₂ - сила трения от веса газопровода (в буровом канале);

Р₃ - увеличение силы трения от силы тя­жести фунта зоны естественного сво­да равновесия (по М.М. Протодьяконову);

Р₄ - увеличение силы трения от наличия на трубе газопровода выступов за пределы наружного диаметра;

Р₅ - дополнительные силы трения от опорных реакций;

Р₆ - усилие сопротивления перемещению газопровода в зоне заглубления в бу­ровой канал;

Р₇ - увеличенное сопротивление переме­щению при переходе от прямолиней­ного движения к криволинейному;

Р₈ - 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 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;

f_pш* - 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);

d'₃ - диаметр выступа буровых штанг, м. Л.4.3 Силу трения от веса газопровода Р₂ 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;

(l-l_i)/2R, (2l_i -l)/2R - углы в радианах (1 рад. - 57,3°).

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

(62)

где γ_т - удельный вес материала трубы газо­провода, Н/м³;

γ_ж - удельный вес бурового раствора, Н/м³;

d_H - наружный диаметр трубы газопрово­да, м;

δ - толщина стенки трубы газопровода, м. Л.4.4 Увеличение силы трения от силы тя­жести грунта зоны естественного свода равно­весия (по М.М. Протодьяконову) Р₃ рассчиты­вается по формуле

(63)

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

(64)

где μ - коэффициент бокового давления; γ*_r - объемный вес фунта с учетом разрых­ления при его обрушении на газопро­вод, рассчитывается по формуле

(65)

где Y_r - 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

q_г(б) = 0,5k_(б)πγ* (1 + μ)d², (68)

а усилие Р_3(б) - будет рассчитываться по формуле

P_3(б)=q_г(б)R(e^f(l-^li)/^R-1). (69)

Л.4.5 Увеличение силы трения от наличия на трубе газопровода выступов за пределы наруж­ного диаметра Р₄ 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;

у_в - удельный вес воды, Н/м³; ∆P₃ - 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;

l₃- длина выступа, м;

d₃ - наружный диаметр выступа, м;

d _рш - наружный диаметр расширителя, м; ∆Р_т- потеря давления бурового раствора между газопроводом и стенкой сква­жины на длине выступа, рассчиты­вается по формуле

(73) Усилие /4/,,) рассчитывается по формуле

(74)

б) при неблагоприятных условиях.

(75)

где δ_упл - напряжение уплотнения грунта, рас­считывается по формуле

- для песчаных грунтов,

где А - площадь вертикального сечения бур­та, рассчитывается по формуле

(76)

где n₀ - пористость грунта в естественном за­легании;

где ∆n₀ - пористость грунта в естественном за­легании;

∆n - приращение пористости грунта при обрушении фунта 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 Р₅ 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 Р₆ 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 Р₁ рассчитывается по формуле

(84)

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

СП 42-101-2003

(85)

где f_rn - 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:

Ргп(а) = Р₂ + Р_3(а) + Р_4(а) +Р₅ + ...+Р₇ (86)

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

Р_гп(б) = p₂ + Р_3(б) + Р_4(б) + P₅ + P₆ + P₇ + P₈ (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 Р*_п представляет собой суммарное усилие, рас­считанное для проходки пилотной скважины, за вычетом усилия /*, (лобового сопротивления бурению):

а) для благоприятных условий:

Ргп(а) = Р₂ + Р_3(а) + Р_4(а) +Р₅ + ...+Р₇ (88)

б) для неблагоприятных условий:

Рп(а) = Р₂ + Р_3(а) + Р_4(а) +Р₅ + Р₆+Р₇ (89)

Л.4.12 Расчет общего усилия протаскива­ния Р:

а) при благоприятных условиях:

Р(а) = Р_р + Р_3(а) + Р_гп(а) +Р_п(а)

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

Р(б) = Р_р + Р_3(а) + Р_гп(б) +Р_п(б) (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 М_к* - крутящий момент на преодоление осевых сопротивлений;

М*_кб - крутящий момент на проворачива­ние буртов;

М_кр* - крутящий момент на разрушение за­боя.

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

- при благоприятных (93) условиях;

- при неблагоприятных условиях,

где ∑Р**_i(а) -суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(95)

∑Р**_i(б) - 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;

- при неблагоприятных условиях

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

- при благоприятных условиях;

- при неблагоприятных условиях

(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 М*_кб рассчитывается по формуле

- при благоприятных условиях;

- при неблагоприятных условиях.

В данном расчете применяется коэффици­ент f

Обозначение величин - см. Л.3.2.

Л.4.16 Крутящий момент на разрушение забоя М_кр* 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.З; обозначение про­чих величин - см. Л.3.5.

Таблица Л.З

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 М'_к рассчитывается по формуле

- при благоприятных (109) условиях;

- при неблагоприятных условиях,

где ∑P*¹_i(a) - суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, кото­рое рассчитывается по формуле

(111)

∑P*¹_i(б) - суммарное осевое усилие при не­благоприятных условиях, кото­рое рассчитывается по формуле

(112)

где Р₁^*1 =p_r(_e^fv'^l/R-i)

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

(11З)

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

- при благоприятных условиях;

- при неблагоприятных условиях

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

- при благоприятных условиях;

- при неблагоприятных условиях

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

(И8) (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 (120) благоприятных условиях;

-при неблагоприятных условиях.

В данном расчете применяется коэффици­ент f. Условные обозначения величин - см. Л.4.5.

Л.4.20 Крутящий момент на разрушение забоя М (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.З. Условное обозначение величин - см. Л.4.2.

По максимальному значению ∑M 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;

k₂ - 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;

ή_тп, ή_г, ή_гв - коэффициенты перегрузки, при­нимаемые согласно таблице Л.4.

Таблица Л.4

Примечания:

1. Нагрузкой, создаваемой весом трубы газопровода, пренебрегаем из-за ее незначительности.

2. Давление газа в газопроводе не учитываем, так как оно разгружает стенку трубы.

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

Р_л = Е/4 [2δ/ (d_н - δ)]

(126)

где d_H - наружный диаметр газопровода, м;

δ - толщина стенки, м;

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

(127)

где E₀ - модуль ползучести в зависимости о i срока службы газопровода и напря­жения в стенке трубы, выбираемый по таблице Л.5;

Таблица Л.З

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