курсовая по механике грунтов САМГТУ. Курсовая МехГрунт. Курсовая работа По дисциплине Механика грунтов

• Название: Курсовая работа По дисциплине Механика грунтов
• Анкор: курсовая по механике грунтов САМГТУ
• Дата: 06.04.2023
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Курсовая МехГрунт.docx
• Тип: Курсовая; #1042043

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)
Кафедра « Бурение нефтяных и газовых скважин»
Курсовая работа

По дисциплине: «Механика грунтов»

Вариант 7

ВЫПОЛНИЛ	Сергеев Илья Александрович
	(студент,курс,группа) 2 курс 265/ИС
ПРОВЕРИЛ	Руководитель курсового проекта
	Богомолов Родион Михайлович
	(фамилия, имя, отчество)
Допуск к защите
	(дата)
	(оценка и роспись руководителя)

г.Самара

2022 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Определение механических свойств горных пород 4

Определение осевой нагрузки на долото при бурении, исходя из условий объемного разрушения горной породы 7

Определение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений, встречаемых при бурении лопастными долотами 10

Определение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений, встречаемых при бурении шарошечным долотом 14

ВЫВОД 17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 18

ВВЕДЕНИЕ

В курсовой работе необходимо решить четыре основные задачи:

1.Определить механические свойства горных пород.

2.Определить осевую нагрузку на долото при бурении, исходя из условия объемного разрушения горной породы.

3.Найти мощность, затраченную на преодоление сопротивлений, встречаемых при разрушении горной породы лопастным долотом.

4.Найти мощность, затраченную на преодоление сопротивлений, встречаемых при разрушении горной породы шарошечным долотом.
Определение механических свойств горных пород

Задача №1

Определить твердость горной породы, коэффициент пластичности и работу разрушения.

Груз 50 кг, d=1,6 мм, V=9 мм.



Рис. 1. График нагрузка-деформация.

Решение:

В качестве исходных данных используются графики ,полученные в результате испытаний различных горных пород на приборе УМГП-3.

В зависимости от вида графика можно определить, к какому классу относится испытуемая порода. Из приведенного графика видно, что порода относится к пластично-хрупким.

Найдем площадь штампа ( ):



Найдем нагрузку в момент хрупкого разрушения:



где - масштабный коэффициент µ_Р=Р/100=250/100=2,5 кг/мм,

- вес штампа

Масштаб по оси деформации М=0,004

Найдем твердость по штампу :



В качестве показателя пластичности пород принято отношение работы деформирования до момента разрушения ( , Дж – на графике площадь ODBC) к работе упругого деформирования ( - на графике площадь треугольника ODE).

Найдем работу деформирования до момента разрушения ( ):





Найдем работу упругого деформирования ( ):





Вычислим коэффициент пластичности :



Также определяются удельная контактная работа ( ):



и удельная объемная работа ( , ):



При помощи таблиц определяется порода, категория пластичности и твердости.

Из таблиц 1, 2 видно, что порода является глиной , категория пластичности – 4, коэффициент пластичности 3-4, категория твердости – 2. По механическим свойствам порода является пластично-хрупкой.

Примечание: Все измерения по графику умножаются на масштабный коэффициент.

По оси нагрузки количество клеток (мм) умножается на вес груза (дан по вариантам), деленный на 100, чтобы превратить значение в кг.

По оси деформации количество клеток умножается на 0,004 (во всех вариантах), чтобы получилась деформация.

Таблица 1

Механические характеристики горных пород

Твердость Рт 107, Па	Катего­рия	Группа	Тип долота	Порода	Коэффициент_трения_µ'>Коэффициент трения µ0
					ρ = 1000 кг/м3	ρ>1000 кг/м3
< 10	1	1	М	Глина жирная	0,08-0,12	0,06-0,09
10-25	2	1	МЗ	Глина песчаная	0,20-0,26	0,18-0,22
25-50	3	1	МС	Глинистый сланец	0,15-0,20	0,11-0,13
50-100	4	1	МСЗ	Мергель	0,18-0,25	0,2-0,24
100-150	5	2	С	Известняк	0,33-0,38	0,32-0,35
150-200	6	2	СТ	Доломит	0,36-0,40	0,34-0,38
200-300	7	2	СЗ	Ангидрит	0,39-0,45	0,37-0,4
300-400	8	2	Т	Песчаник слабосцементиро­ванный, зерна остроконечные	0,27-0,40	0,25-0,35
400-500	9	3	ТЗ	Песчаник слабосцементиро­ванный, зерна окатанные	0,2-0,3	0,17-0,25
500-600	10	3	ТКЗ	Песчаник крепкий	0,43-0,45	0,4-0,43
600-700	11	3	К	Кварцит	0,48-0,5	0,42-0,44
> 700	12	3	ОК	Гранит	0,46-0,43	0,45-0,5

Таблица 2

Коэффициенты пластичности

Категория	1	2	3	4	5	6
Коэффициент пластичности	1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6

Определение осевой нагрузки на долото при бурении, исходя из условий объемного разрушения горной породы

Задача №2.

Определить осевую нагрузку на долото при бурении из условия объемного разрушения горной породы. Исходные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Исходные данные:

№ интер­ала	Группа твердости	Твердость по штампу	Коэффициент перекрытия	Диаметр долота D, м	Начальная тупизна зубьев b, м
1	М	247	1,11	0,37	0,0038
2	М	344	1,12	0,32	0,0039
3	С	946	1,13	0,269	0,0024
4	Т	2007	1,14	0,214	0,0025
5	Т	2348	1,15	0,214	0,0026
6	М	383	1,16	0,190	0,0018

Решение:

Эффективное или объемное разрушение породы при бурении возможно только в том случае, если соблюдается условие



где - начальная опорная поверхность долота,



Рассмотрим каждый интервал бурения в отдельности:

1.	FH=0,5∙	1,11	∙	0,37	∙	0,0038	=	7,8	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	7,8	∙	10-4 ∙	247	∙ 106	=	1,93	∙ 105 Н
2.	FH=0,5∙	1,12	∙	0,32	∙	0,0039	=	6,98	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	6,98	∙	10-4 ∙	344	∙ 106	=	2,4	∙ 105 Н
3.	FH=0,5∙	1,13	∙	0,269	∙	0,0024	=	3,65	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	3,65	∙	10-4 ∙	946	∙ 106	=	3,45	∙ 105 Н
4.	FH=0,5∙	1,14	∙	0,214	∙	0,0025	=	3,04	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	3,04	∙	10-4 ∙	2007	∙ 106	=	6,1	∙ 105 Н
5.	FH=0,5∙	1,15	∙	0,214	∙	0,0026	=	3,2	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	3,2	∙	10-4 ∙	2348	∙ 106	=	7,51	∙ 105 Н
6.	FH=0,5∙	1,16	∙	0,190	∙	0,0018	=	2	∙ 10-4 м2
	FH∙Рш=	2	∙	10-4 ∙	383	∙ 106	=	0,76	∙ 105 Н

В зависимости от типа и размера долота, определяется допустимая осевая нагрузка ( и , Н):



где q – допустимая нагрузка на 1 м диаметра долота, Н/м (таблица 4)

1.	P1=	0,37	∙	2	=	0,74	∙ 105 Н
	P2=	0,37	∙	6	=	2,22	∙ 105 Н
2.	P1=	0,32	∙	2	=	0,64	∙ 105 Н
	P2=	0,32	∙	6	=	1,92	∙ 105 Н
3.	P1=	0,27	∙	3	=	0,81	∙ 105 Н
	P2=	0,27	∙	8	=	2,15	∙ 105 Н
4.	P1=	0,21	∙	7	=	1,47	∙ 105 Н
	P2=	0,21	∙	10	=	2,1	∙ 105 Н
5.	P1=	0,21	∙	7	=	1,5	∙ 105 Н
	P2=	0,21	∙	10	=	2,14	∙ 105 Н
6.	P1=	0,19	∙	2	=	0,38	∙ 105 Н
	P2=	0,19	∙	6	=	1,14	∙ 105 Н

Приведем поинтервальный расчет допустимой осевой нагрузки ( и , Н) из таблицы 2, а затем произведем сравнение полученных величин на соответствие условию:

1.	0,74	∙ 105 Н	<	1,93	∙ 105 Н	<	2,22	∙ 105 Н
2.	0,64	∙ 105 Н	<	2,4	∙ 105 Н	>	1,92	∙ 105 Н
2.	0,807	∙ 105 Н	<	3,45	∙ 105 Н	>	2,152	∙ 105 Н
4.	1,47	∙ 105 Н	<	6,1	∙ 105 Н	>	2,1	∙ 105 Н
5.	1,498	∙ 105 Н	<	7,51	∙ 105 Н	>	2,14	∙ 105 Н
6.	0,38	∙ 105 Н	<	0,76	∙ 105 Н	<	1,14	∙ 105 Н

Мы видим, что неравенства соблюдаются в первом и шестом интервалах

Вывод. Таким образом, эффективное или объемное разрушение возможно только в первом и шестом интервалах , так как в остальных интервалах нагрузка на долото не укладывается в предельные значения.

Таблица 2

Нагрузка на долото для различных типов пород

Тип долота	М	МС	С	СТ	Т	ТК	К
Q∙10 5 Н/м	2-6	2-6	3-8	4-9	7-10	8-12	9-15

Определение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений, встречаемых при бурении лопастными долотами

Задача №3

Определить мощность, затрачиваемую лопастным долотом при бурении. Исходные данные приведены в таблице 5:

• 
  тип долота;
  
• 
  твердость породы Р_Ш, Па;
  
• 
  частота вращения долота n, 1/с;
  
• 
  глубина погружения долота в породу δ, м;
  
• 
  время работы долота t_б, с;
  
• 
  коэффициент прироста поверхности долота Θt, м²/с;
  
• 
  плотность бурового раствора ρ, кг/м³;
  
• 
  направление ствола скважины α₀, °;
  
• 
  наружный диаметр бурильных труб d_Н, м.
  

Таблица 5.

Исходные данные

Шифр долота	м	S, м	h, м	n,	град	м	Рш, Па	c			град	м
3ЛГ-346	30	35	130	1,16	70	0,0011	15,3	18000	0,06	1,19	3,5	0,16

Решение:

Затраченную мощность при бурении горных пород лопастным долотом можно определить по формуле



где W_Р – мощность, затраченная на разрушение горной породы, кВт;

W_тр – мощность, затраченная на трение долота о забой, кВт;

W_бр – мощность, затраченная на разрушение стенок скважины, кВт;

W_бт – мощность, затраченная на трение долота о стенки скважины, кВт.

Мощность, затраченная на разрушение горной породы:



где _Р – угол резания лопастей долота (для долот типа М _Р = 70⁰, а для долот типа С _ρ = 75⁰);

 - показатель степени, величина которого зависит от величины  (если   0,001, то  = 0,5, если 0,0005  0,001, то  = 0,25, если   0,0005, то  = 1,79);

е – число n номерных лопастей.



Мощность, затраченная на трение долота о забой:

Коэффициент трения долота о породу находится по формуле



где ₀ – статический коэффициент трения, зависящий от горной породы (табл. 1), принят равным 0,2.



Эффективный радиус долота вычисляется по формуле



где l₀ – расстояние между лопастями.

Тупизна долота находится по формуле



где F₁ – площадь контакта долота, м²

F₁ = F_H + _l_б ,

где F_Н – начальная тупизна зубьев, м²

F_H = 0,5 (D – l₀) b_h ,

где b_H – толщина кромки лопастей, м



где S – толщина лопастей, м.













Мощность, затраченная на разрушение стенок скважины:





где h – высота калибрующей поверхности, м;

₀ – толщина стружки, срезаемой долотом со стенок скважины, м ( = ₀).

Мощность, затраченная на трение долота о стенки скважины для искривленных скважин:

















где l – длина нижней полуволны колонны труб, м;

q – вес погонного метра трубы, Н/м;

Р – нагрузка на долото, Н (в среднем 200000-300000);

G – вес нижней полуволны колонны труб, Н

g – ускорение свободного падения, м/с²;

D – диаметр скважины с учетом уширения, м

f – расстояние между стенкой скважины и бурильной колонной

 - угловая скорость, рад/с;

I – момент инерции, м⁴.



G = q∙l,

G =206,4∙308,7=63715 Н



Вывод: мощность, затраченная при бурении лопастным долотом 3ЛГ-346, составляет 338 кВт.

Определение мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивлений, встречаемых при бурении шарошечным долотом

Задача №4

Определить мощность, затрачиваемую шарошечным долотом при бурении. Исходные данные приведены в таблице 6.

• 
  тип долота;
  
• 
  частота вращения долота n \, 1/с;
  
• 
  направление ствола скважины ₀, град;
  
• 
  наружный диаметр бурильных труб d_H, м.
  

Таблица 6.

Исходные данные

Шифр долота	n, об/мин	град	Диаметр бурильных труб	Коэффициент перекрытия	Число периферийных зубьев			Высота периферийных зубьев, мм
					1	2	3		1	2	3
В-190МС3Г	2,3	8	0,140	0,67	12	13	14		18	18	18

Решение:

Затраченную мощность при бурении горных пород шарошечным долотом можно определить по формуле



где N_P – мощность, затрачиваемая на разбуривание породы при перекатывании шарошек, кВт;

N_ТР – мощность, затрачиваемая на преодоление трения зубцов шарошек о забой скважины при проскальзывании шарошек, кВт;

N_h – мощность, затрачиваемая на вертикальные перемещения системы вследствие зубчатой поверхности шарошек, кВт;

N_бт – мощность, затрачиваемая на преодоление трения долота о стенки скважины, кВт;

₁ – коэффициент, равный 0,35.

Мощность, затрачиваемая на разбуривание породы при перекатывании шарошек



где _Z – коэффициент перекрытия зубьев шарошек;

_t – глубина погружения зубцов в породу, м.



где h_Z – высота периферийных зубьев, м.



Мощность, затраченная на преодоление трения зубцов шарошек о забой скважины при их проскальзывании, определяется по формуле



где  - коэффициент трения долота о породу (принимаем 0,15);

k_ - коэффициент скольжения шарошек (принимаем 0,06).



Мощность, затраченная на вертикальные перемещения системы вследствие зубчатой поверхности шарошек, определяется по формуле



где m – число шарошек;

z – число периферийных зубьев;

d_Ш - диаметр шарошки, м.



z=60



Мощность, затраченная на преодоление трения долота о стенки скважины, определяется по формуле



где е – число шарошек, соприкасающихся со стенками скважины.

Формулы для определения величин l и f приведены в предыдущей задаче.





















Вывод: мощность, затраченная на разрушение породы долотом В-190МС3Г, равняется 319 кВт.
ВЫВОД

В курсовой работе рассмотрены решения задач определения механические свойства горных пород, осевой нагрузки на долото при бурении, исходя из условия объемного разрушения горной породы. Вычисления мощности, затраченной на преодоление сопротивлений, встречаемых при разрушении горной породы лопастным долотом, а также нахождения мощности, затраченной на преодоление сопротивлений, встречаемых при разрушении горной породы шарошечным долотом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   О.Г. Латышев. Разрушение горных пород. - М.: Теплотехник, 2007. – 672 с.
   
2. 
   Э.А. Айзуппе. Теория разрушения горных пород: уч. пособ./ Айзуппе Э.А.- Самара.-Самар. гос. техн. ун-т.-2009. - 98с.
   
3. 
   Евсеев В.Д. Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин: уч. пособ./В.Д. В.Д. Евсеев.- Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - 95с.
   
4. 
   Абатуров В.Г., Овчинников В.П. Физико-механические свойства горных пород и породоразрушающий буровой инструмент: уч. пособ. для вузов.- Тюмень: Изд-во Экспресс, 2008. - 240с.
   
5. 
   Механика грунтов: метод. указ. / Сост. О.А.Кулакова, К.А.Антипова. – Самара; Самар. гос. техн. ун-т, 2014. - 30 с.: ил.