Расчеты геометрических параметров пилотной скважины

 

Л.2.2 Расстояние  от лафета бурильной установки до точки входа буровой головки в землю (точки забуривания) во входном приямке (рисунок Л.2) определяется по формуле

 

,                                                                           (4)

 

где  - расстояние по горизонтали от лафета буровой установки до точки входа буровой головки в землю во входном приямке, м;

 

 - глубина точки входа бура в землю во входном приямке (определяется проектом), м;

 

 - угол входа бура в землю (угол забуривания) (характеристика буровой установки), град.

 

Л.2.3 Радиус кривизны пилотной скважины  при забуривании (рисунок Л.1) определяется при переходе от максимального угла при забуривании к нулевому на максимальной глубине (пилотная скважина выполняется по плавной дуге) и по формуле

 

,                                                                      (5)

 

где  - радиус кривизны пилотной скважины при забуривании, м;

 

 - заглубление пилотной скважины от точки забуривания (определяется проектом).

 

Длина пилотной скважины  при переходе от максимального угла при забуривании к нулевому углу (рисунки Л.1, Л.2) рассчитывается по формуле

 

,                                                                         (6)

 

где  - расчетная длина пилотной скважины от точки забуривания до точки максимального заглубления (от точки  до точки ), м.

 

Л.2.4 Количество буровых штанг  необходимое для выполнения пилотной скважины длиной , определяется по формуле

 

,                                                                           (7)

    

где  - длина одной штанги;

 

 - количество буровых штанг, необходимое для бурения пилотной скважины длиной .

 

Л.2.5 Величина изменения текущего угла  на каждой штанге при выполнении пилотной скважины на длине  рассчитывается по формуле

 

,                                                                            (8)

    

где  - изменение угла на каждой штанге.

 

Л.2.6 Для упрощенных расчетов величины заглубления буровой головки в земле при переходе от максимального угла при забуривании (рисунки Л.2, Л.3) к нулевому при горизонтальном положении буровой головки необходимо определить средний расчетный текущий угол  по формуле

 

,                                                       (9)

    

где  - средний расчетный текущий угол для вычислений;

 

 - текущий угол (в пределах от  при забуривании до 0°), рассчитывается по формуле

 

,                                                              (10)

 

где  - текущее число штанг, необходимое для проходки пилотной скважины длиной  ( =1; 2; 3,..., ).

 

Л.2.7 Расчет текущего заглубления пилотной скважины  (рисунки Л.2, Л.3)

 

,                                         (11)

    

где  - текущая длина пилотной скважины (от 0 до );

 

 - средний текущий расчетный угол.

 

На рисунке Л.3 графически показаны:

 

- текущая длина пилотной скважины: = ; ; , +, ;

 

- текущее заглубление пилотной скважины: = ; ; , +, .

 

При этом расчет текущего заглубления на выходе газопровода (на длине ) выполняется аналогично расчету на входе (на длине ).

 

Л.2.8 Радиус кривизны пилотной скважины  на выходе пилотной скважины из грунта (рисунок Л.1) рассчитывается по формуле

 

,                                                               (12)

 

где  - радиус кривизны пилотной скважины на выходе, м;

 

 - угол на выходе, град;

 

 - заглубление пилотной скважины на выходе, определяется по формуле

 

,                                                                   (13)

 

где  - перепад по высоте точки выхода пилотной скважины относительно точки забуривания, м.

 

Л.2.9 Длина пилотной скважины  при переходе от нулевого угла на максимальной глубине к углу на выходе в выходном приямке (рисунок Л.1) определяется по формуле

 

,                                                              (14)

 

где  - теоретическая длина пилотной скважины от точки максимальной глубины до точки выхода в выходном приямке (от точки  до точки ), м.

 

Л.2.10 Общая длина пилотной скважины  от точки входа до точки выхода (рисунок Л.1) состоит из:

 

,                                                         (15)

    

где  - длина прямолинейного участка;

 

 - общая длина пилотной скважины от точки входа до точки выхода (от точки  до точки ).

 

При наличии нескольких прямолинейных и криволинейных участков общую длину пилотной скважины рассчитывают по формуле

 

,                             (16)

 

где ; ; ; ;  - длины различных прямолинейных и криволинейных участков.

 

 

Рисунок Л.4 - Расчетные параметры пилотной скважины

 

 

Л.2.11 Длина пилотной скважины в плане  от точки входа в грунт до точки максимального заглубления (рисунок Л.1) определяется по формуле

 

,                                            (17)

 

где  - длина пилотной скважины в плане от точки  до точки .

 

Л.2.12 Длина пилотной скважины в плане  от точки максимального заглубления до точки выхода из земли определяется по формуле

 

,                                         (18)

    

где  - длина пилотной скважины в плане от точки  до точки .

 

Л.2.13 Общая длина пилотной скважины в плане  от точки забуривания до точки выхода пилотной скважины из земли состоит из

 

,                                                  (19)

    

где  - длина прямолинейного участка в плане;

 

 - общая длина пилотной скважины в плане от точки  до точки .

 

При наличии нескольких прямолинейных и криволинейных участков длину трассы рассчитывают по формуле

 

,                     (20)

 

где ; ; ; ;   - длины конкретных криволинейных и прямолинейных участков пилотной скважины в плане.

 

По результатам расчетов параметров трассы газопровода оформляют профиль бурения (форма Г) и карту бурения (форма Д).

 

Л.2.14 Для расчета тяговых усилий при горизонтальном направленном бурении необходимо определить общий теоретический радиус кривизны бурового канала (рисунок Л.1):

 

а) для простых трасс, выполненных по плавной дуге, общий теоретический радиус равен фактическому радиусу кривизны бурового канала и рассчитывается по формуле

 

;                                                           (21)

 

б) для сложных трасс за радиус кривизны пилотной скважины принимают радиус вписанной окружности, наиболее приближенной к проектному профилю пилотной скважины, который рассчитывают по формуле (рисунок Л.1)

 

.                                      (22)

 

Л.2.15 Длина плети газопровода, необходимая (и достаточная) для протаскивания, определяется по формуле

 

,                                                             (23)

    

где  - длина трубы прокладываемого газопровода, м;

 

 - расчетная длина, м;

 

 - отклонение фактической длины бурового канала от расчетного размера: 10-20% для газопровода из полиэтиленовых труб, 3-5% для стального газопровода, м;

 

 - участки газопровода вне бурового канала: 1,5-2,5 м, м.

 

Л.2.16 Объем грунта  удаляемого из скважины, определяется по формуле

 

,                                                                     (24)

    

где  - диаметр бурового канала (пилотной скважины), м;

 

 - теоретическая длина бурового канала, м.

 

Л.2.17 Потребность в буровом растворе , необходимом для качественного бурения, зависит от типа грунта и колеблется в значительных пределах. В среднем для того чтобы вывести из скважины на поверхность один объем грунта, требуются 3-5 объемов бурового раствора (для сыпучего песка - 6-10 объемов).

 

Л.2.18 Минимальное время  бурения пилотной скважины (бурового канала) составляет

 

 ,                                                                       (25)

    

где  - объем бурового раствора, который необходим для качественного бурения, л;

 

 - производительность насоса бурильной установки, л/мин (характеристика бурильной установки).

 

Л.2.19 Максимальная скорость бурения

 

.                                                                   (26)

 

    

 

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  - лобовое сопротивление бурению (сопротивление движению буровой головки в грунте) с учетом искривления пилотной скважины;

 

 - сила трения от веса буровых штанг (в скважине);

 

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

 

 - увеличение силы трения от наличия на буровых штангах выступов за пределы наружного диаметра;

 

 - дополнительные силы трения от опорных реакций;

 

 - сопротивление перемещению буровых штанг в зоне забуривания за счет смятия стенки скважины;

 

 - 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  рассчитывается по формуле

 

,                                                           (28)

    

где  - сила сопротивления бурению, Н;

 

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

 

 - радиус кривизны пилотной скважины, м;

 

 - условный коэффициент трения вращающегося резца о грунт, рассчитывается по формуле

 

,                                              (29)

 

где  - коэффициент трения резца о грунт;

 

 - диаметр буровой головки, м;

 

 - подача на оборот, рассчитывается по формуле

 

,                                                                             (30)

    

где  - скорость бурения, м/мин;

 

 - угловая скорость бурения, об/мин.

 

Сила сопротивления бурению  при разрушении грунта вращающейся буровой головкой рассчитывается по формуле

 

,                                                       (31)

 

где  - коэффициент сцепления грунта, Н/м  (Па);

 

 - ширина резца, м;

 

 - глубина врезания (вылет резца), м;

 

 - угол внутреннего трения грунта, рад.

 

Л.3.3 Силу трения от веса буровых штанг в пилотной скважине  рассчитывают по формуле

 

,                   (32)

 

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

 

 - радиус кривизны бурового канала, м;

 

 - длина пилотной скважины, м;

 

 - текущая длина пилотной скважины, м;

 

,  - углы в радианах (1 радиан - 57,3°);

 

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

 

,                                             (33)

    

где  - наружный диаметр буровых штанг, м;

 

 - коэффициент трения штанг о грунт, смоченный буровым раствором.

 

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

 

,                (34)

    

где  - удельный вес материала штанг, Н/м ;

 

 - удельный вес бурового раствора, Н/м ;

 

 - толщина стенки штанги, м.

 

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

 

,                                                    (35)

 

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

 

,                                                    (36)

   

где  - коэффициент бокового давления;

 

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

 

- при благоприятных условиях;     (37)

    

 - при неблагоприятных условиях,  (38)

    

где  - угол внутреннего трения грунта, рад;

 

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

 

,                                         (39)

    

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

 

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

 

,                                    (40)

 

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

 

а) при благоприятных условиях:

 

,                  (41)

    

где  - расстояние между выступами на штанге, м;

 

 - удельный вес воды, Н/м ;

 

 - потеря давления бурового раствора между выступом и стенкой скважины на длине выступа, рассчитывается по формуле

 

,                            (42)

    

где  - расход бурового раствора, м /с (характеристика установки);

 

 - длина выступа на штанге, м;

 

 - наружный диаметр выступа на штанге, м;

 

 - наружный диаметр буровой головки, м;

 

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

 

;                            (43)

 

б) при неблагоприятных условиях:

 

,                                 (44)

 

- напряжение уплотнения грунта, которое рассчитывается по формуле

 

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

 

 - площадь вертикального сечения бурта, рассчитывается по формуле

 

,                                                    (46)

 

 - пористость грунта в естественном залегании;

 

 - 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  рассчитываются по формуле

 

,                                             (48)

 

 - силы трения от опорных реакций, определяющих изгиб буровых штанг, рассчитываются по формуле

 

,                           (49)

    

где  - модуль упругости материала штанг, Н/м  (Па);

 

 - плечо опорных реакций буровых штанг, рассчитывается по формуле

 

.          (50)

 

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

 

,                                                                  (51)

 

где  - 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  и .

 

Л.4 РАСЧЕТ ОБЩЕГО УСИЛИЯ ПРОТАСКИВАНИЯ  

 

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

 

,                                                        (56)

    

где  - общее усилие протаскивания;

 

 - лобовое сопротивление движению расширителя;

 

 - усилие перемещения буровых штанг;

 

 - усилие протаскивания газопровода, которое рассчитывается по формуле

 

,           (57)

__________________

* Формула соответствует оригиналу. - Примечание "КОДЕКС".

 

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

 

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

 

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

 

 - дополнительные силы трения от опорных реакций;

 

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

 

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

 

 - 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  рассчитывается по формуле

 

,                                                               (58)

    

где  - сила сопротивления бурению, Н;

 

 - 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;

 

 - радиус кривизны бурового канала, м;

 

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

 

*,                                                 (59)

______________________

* Формула соответствует оригиналу. Вероятно, следует читать . - Примечание "КОДЕКС".

 

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

 

- диаметр расширителя, м;

 

 - подача на оборот, м.

 

Сила сопротивления бурению  рассчитывается по формуле

 

,                                               (60)

 

где  - давление жидкости на выходе из сопел расширителя, Н/м  (Па) (характеристика оборудования буровой установки);

 

 - диаметр выступа буровых штанг, м.

 

Л.4.3 Силу трения от веса газопровода  рассчитывают по формуле

 

*,                  (61)

___________________

* Вероятно, следует читать . - Примечание "КОДЕКС".

 

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

 

 - расчетный радиус кривизны бурового канала, м;

 

 - коэффициент трения газопровода о грунт, смоченный буровым раствором;

 

 - длина бурового канала;

 

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

 

,  - углы в радианах (1 рад. - 57,3°).

 

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

 

,                         (62)

    

где  - удельный вес материала трубы газопровода, Н/м ;

 

 - удельный вес бурового раствора, Н/м ;

 

 - наружный диаметр трубы газопровода, м;

 

 - толщина стенки трубы газопровода, м.

 

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

 

,                                                (63)

 

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

 

,                                                      (64)

    

где  - коэффициент бокового давления;

 

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

 

,                                          (65)

 

где  - удельный объемный вес грунта в естественном залегании, Н/м ;

 

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

 

Погонный вес грунта зоны естественного свода равновесия будет рассчитываться по формуле

 

,                                                 (66)

    

а усилие - по формуле

    

,                                             (67)

 

где  - 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 <