Л. 3 расчет усилия проходки пилотной скважины

Л.3.1 Исходя из закона равновесия сил взаимодействия усилие проходки пилотной скважины определяют как сумму всех видов сил сопротивления движению буровой головки и буровых штанг в пилотной скважине:

(27)

где P ₁^* - лобовое сопротивление бурению (сопротивление движению буровой головки в грунте) с учетом искривления пилотной скважины;

P ₂^* - сила трения от веса буровых штанг (в скважине);

P ₃^* - увеличение силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову);

P ₄^* - увеличение силы трения от наличия на буровых штангах выступов за пределы наружного диаметра;

P ₅^* - дополнительные силы трения от опорных реакций;

P ₆^* - сопротивление перемещению буровых штанг в зоне забуривания за счет смятия стенки скважины;

P ₇^* - сопротивление на выходе при переходе от криволинейного движения к прямолинейному.

Расчет усилия проходки пилотной скважины выполняется для двух пограничных состояний:

- при благоприятных условиях: при наличии качественного бурового раствора, отсутствии фильтрации раствора в грунт, при хорошо сформированной и стабильной пилотной скважине;

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

Л.3.2 Лобовое сопротивления бурению P ₁^* рассчитывается по формуле

(28)

где Р _г^* - сила сопротивления бурению, Н;

l_i - текущая длина пилотной скважины при бурении от точки забуривания до выхода пилотной скважины из земли (от 0 до 1), м;

R - радиус кривизны пилотной скважины, м;

f _p^* - условный коэффициент трения вращающегося резца о грунт, рассчитывается по формуле

(29)

где f _p - коэффициент трения резца о грунт;

d _г - диаметр буровой головки, м;

h - подача на оборот, рассчитывается по формуле

(30)

где v - скорость бурения, м/мин;

w - угловая скорость бурения, об/мин.

Сила сопротивления бурению Р _г^* при разрушении грунта вращающейся буровой головкой рассчитывается по формуле

(31)

где С ₀ - коэффициент сцепления грунта, Н/м² (Па);

т - ширина резца, м;

е _p - глубина врезания (вылет резца), м;

r - угол внутреннего трения грунта, рад.

Л.3.3 Силу трения от веса буровых штанг в пилотной скважине Р ₂^* рассчитывают по формуле

(32)

где q _ш - погонный вес буровых штанг за вычетом выталкивающей силы бурового раствора, Н/м;

R - радиус кривизны бурового канала, м;

l - длина пилотной скважины, м;

l_i - текущая длина пилотной скважины, м.

- углы в радианах (1 радиан - 57,3°);

f _ш^* - условный коэффициент трения вращающихся буровых штанг о грунт, смоченный буровым раствором, рассчитывается по формуле

(33)

где d _ш - наружный диаметр буровых штанг, м;

f _ш - коэффициент трения штанг о грунт, смоченный буровым раствором.

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

(34)

где g_ш - удельный вес материала штанг, Н/м³;

g_ж - удельный вес бурового раствора, Н/м³;

d_ш - толщина стенки штанги, м.

Л.3.4 Усилие увеличения силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову) Р ₃^* рассчитывается по формуле

(35)

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

q _г = 0,5 k pg_г^*(1 + m) d _н², (36)

где m - коэффициент бокового давления;

k - коэффициент высоты свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), который рассчитывается по формулам:

- при благоприятных условиях; (37)

- при неблагоприятных условиях, (38)

где r - угол внутреннего трения грунта, рад;

g_г^* - объемный вес грунта с учетом разрыхления при его обрушении на буровые штанги, который рассчитывается по формуле

(39)

где g_г - удельный объемный вес грунта в естественном залегании, Н/м³.

Л.3.5 Увеличение силы трения от наличия на штангах выступов за пределы наружного диаметра Р ₄^* рассчитывается по формуле

(40)

где q _б^* - погонная сила сопротивления буртов земли, образованных выступами, рассчитывается по формулам, Н/м:

а) при благоприятных условиях:

(41)

где а _ш - расстояние между выступами на штанге, м;

g_в - удельный вес воды, Н/м³;

D P ₃^* - потеря давления бурового раствора между выступом и стенкой скважины на длине выступа, рассчитывается по формуле

(42)

где Q _ж - расход бурового раствора, м³/с (характеристика установки);

L ₃^*- длина выступа на штанге, м;

d ₃^*- наружный диаметр выступа на штанге, м;

d _г - наружный диаметр буровой головки, м;

D P _ш - потеря давления бурового раствора между штангами и стенкой скважины на длине выступа, которая рассчитывается по формуле

(43)

б) при неблагоприятных условиях:

(44)

d_упл - напряжение уплотнения грунта, которое рассчитывается по формуле

- для песчаных грунтов, Н/м² (Па), (45)

А _г - площадь вертикального сечения бурта, рассчитывается по формуле

(46)

п ₀ - пористость грунта в естественном залегании;

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

(47)

Л.3.6 Дополнительные силы трения от опорных реакций при движении в криволинейной скважине P ₅^* рассчитываются по формуле

(48)

Р _и^*- силы трения от опорных реакций, определяющих изгиб буровых штанг, рассчитываются по формуле

(49)

где Е _ш - модуль упругости материала штанг, Н/м² (Па);

В _ш - плечо опорных реакций буровых штанг, рассчитывается по формуле

(50)

Л.3.7 Сопротивление перемещению буровых штанг в зоне забуривания рассчитывается по формуле

(51)

где Р_с ^*- сила смятия стенки скважины при забуривании, рассчитывается по формуле

(52)

Л.3.8 Сопротивление движению при переходе от криволинейного движения к прямолинейному рассчитывается по формуле

(53)

Л.3.9 Полное усилие прокладки пилотной скважины рассчитывается по формулам:

а) при благоприятных условиях:

(54)

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

(55)

Фактическое усилие прокладки пилотной скважины в реальных условиях будет находиться между пограничными величинами P _п(а) и P _п(б).

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:

Р = Р _p + Р _п^* + Р _гп, (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 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);

P 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;

P 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 _p 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 _рш^* - 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 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

q _г = 0,5 k pg_г^*(1 + m) d _н², (64)

где m - коэффициент бокового давления;

g_г^* - 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

q _г(а) = 0,5 k _(а)pg_г^*(1 + m) d _н², (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) = 0,5 k _(б)pg_г^*(1 + m) d _н², (68)

а усилие Р _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)

d_упл - напряжение уплотнения грунта, которое рассчитывается по формуле

- для песчаных грунтов, Н/м² (Па),

А - площадь вертикального сечения бурта, рассчитывается по формуле

(76)

где п 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, Р ₈ определяется по формуле

P ₈ = f _гп q _гп l_i, (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 P _гп(б).

Л.4.11 Усилие перемещения буровых штанг Р _п^* представляет собой суммарное усилие, рассчитанное для проходки пилотной скважины, за вычетом усилия Р ₁ (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:

Р _(а) = Р _p + Р _гп(а) + Р _п(а)^*; (90)

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

Р _(б) = Р _p + 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 P _(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

S M ^* = М _к^*+ М _кб^* + М _кр^*, (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 условиях; (93)

- при неблагоприятных условиях, (94)

где S P_{i (a)}^** - суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(95)

S P_{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; (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 М _кб^* 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 М _кр^* при механическом разрушении забоя вращающейся буровой головкой рассчитывается по формуле

М _кр^* = 0,25 К _р hd _г², (107)

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

Таблица Л.3

Песок, Н/м^2	Суглинок, Н/м^2	Глина, Н/м^2
(0,05 - 0,08)10^6	(0,1 - 0,15)10^6	(0,13 - 0,25)10^6

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

S M = M _к + М _кб + M _кр, (108)

где M _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 M _к^* рассчитывается по формуле

- при благоприятных условиях; (109)

- при неблагоприятных условиях, (110)

где S P_{i (a)}^*1 - суммарное осевое усилие при благоприятных условиях, которое рассчитывается по формуле

(111)

S P_{i (б)}^*1 - 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 M _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

М _кр^* = 0,25 К _р hd _р², (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 S М 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;

P _тп - давление от веса транспортных потоков;

h_тп, h_г, h_гв - коэффициенты перегрузки, принимаемые согласно таблице Л.4.

Таблица Л.4

№ п.п	Характер нагрузки	Наименование нагрузки	Коэффициент перегрузки h
	Постоянная	Масса трубопровода	1,1
	»	Давление грунта	1,2
	Постоянная	Гидростатическое давление грунтовых вод	1,2
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)

Р _кр = Р _л + 1,143 Р _гр, (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

E = k_eE ₀, (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

Материал трубы	Срок службы, лет	Напряжение в стенке трубы, МПА
					2,5		1,5		10,5
ПЭ		-	-
	-
	-
	-

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

Таблица Л.6

Материал трубы	Температура, °С
ПЭ		0,8	0,65	0,55	0,4

Р _гр - параметр, характеризующий жесткость грунта, Н/м², который вычисляется по формуле

Р _гр = 0,125 Е _гр, (128)

где Е _гр - модуль деформации грунта засыпки, Н/м², определяемый по таблице Л.7.

Таблица Л.7

Наименование грунтов засыпки	Е гр, МПа
Пески крупные и средней крупности	12 - 17
Пески мелкие	10 - 12
Пески пылеватые	8 - 10
Супеси и суглинки	2 - 6
Глины	1,2 - 4