X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Основным направлением повышения производительности и эффективности работы буровых станков является совершенствование систем приводов и технических средств управления, а также обеспечение надежности процесса бурения и в этой области многое зависит от процессов проектирования буровых станков. При скважинной добыче особое внимание уделяется наклонно-горизонтальному (направленному) бурению - способ сооружения скважин c отклонением от вертикали по заранее заданному направлению. Наклонно-направленное бурение применяется как при бурении скважин на нефть и газ, так и при разведке твёрдых.

Наиболее эффективная область использования наклонно-направленное бурение - при разработке месторождений в акваториях, в болотистых или сильно пересечённых местностях и в случаях, когда строительство буровых может нарушить условия охраны окружающей среды.

Широкие возможности решения этой задачи открываются в настоящее время системы автопроектирования. Это позволяет рассматривать технологические агрегаты бурового станка как модели.

Несоответствие рекомендованных и фактических значений долговечности инструмента особенно отрицательно сказывается на эффективности бурения пород повышенной крепости, в том числе при разработке месторождений полиметаллических руд. В значительной мере это связано с отсутствием пространственных моделей.

Ранее были рассмотрены общие вопросы бурения скважины и проектирования буровых станков [1] , ныне в работе будет рассмотрена 3D модель процесса нагружения бурового устройства, с созданием моделей основных конструктивных элементов, но вместе с тем будут рассмотрены вопросы моделирования направленного проведения скважин. Наиболее эффективная область использования наклонно-направленное бурение - при разработке месторождений в акваториях, в болотистых или сильно пересечённых местностях и в случаях, когда строительство буровых может нарушить условия охраны окружающей среды. Наклонно-направленное бурение применяют также при бурении вспомогательных скважин для глушения открытых фонтанов, при многоствольном бурении или отклонении нижней части ствола вдоль продуктивного горизонта c целью увеличения дренажа. В связи с все возрастающими объемами направленного бурения весьма актуальной становится проблема контроля за направлением ствола скважины в процессе ее бурения, проблема возможности управления этим процессом по намеченной программе. Комплекс измерительных датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины и ее азимута. Для управления процессом направленного бурения измерительную систему оборудуют датчиком положения отклонителя.В работе будут проанализированы возможности расчета 3 d горизонтальных скважин и её воздействие на продуктивный пласт.

1. Совершенствование бурового станка.

1.1 Анализ методов проектирования.

Если процесс проектирования осуществляется человеком при взаимодействии с компьютером, то проектирование называется автоматизированным, если нет, то, соответственно, неавтоматизированным. Проектирование, при котором все преобразования описания объекта и алгоритма его функционирования осуществляются компьютером без вмешательства человека, называется автоматическим, соответствующие системы – системами сквозного проектирования.

Нас будет интересовать, в первую очередь, автоматизированное проектирование, которое и является предметом САПР.

Применение систем автоматизации проектирования (САПР) – это подход, при котором проектирование превращается в единый информационно связанный человеко-машинный процесс. САПР – не коллекция программ, а комплекс средств, в котором функции человека и машины рационально распределены и научно обоснованы.

Цель САПР – повышение качества проектов, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа проектировщиков, а также повышение производительности их труда.

Предметом САПР являются формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, постановка, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, способы построения технических средств, создание языков описания проблем, баз данных и баз знаний, а также вопросы их объединения в единую проектирующую систему.

В соответствии с ГОСТ САПР – это организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП). КСАП – это совокупность различных видов обеспечения автоматизации проектирования.

CAE (Computer-AidedEngineering) – компьютерные системы инженерного анализа для решения таких задач, как:

-Прочностной анализ (все виды расчетов на прочность конструкций методом конечных элементов);

-Теплофизические расчеты;

-Пластический анализ (анализ пластической деформации и оценка технологичности изготовления деталей методом литья под давлением);

Примером полнофункциональной CAE-системы является система ANSYS американской фирмы SwansonAnalysisSystems.

Ведущие мировые производители программного обеспечения для автоматизации проектирования, как правило, поставляют на рынок интегрированные универсальные системы, удовлетворяющие требованиям проектирования и изготовления изделий в различных отраслях промышленности. Эти системы содержат в себе возможности автоматизации всех трех аспектов и называются соответственно CAD/CAM/CAE системами.

Основные особенности современныхCAD/CAM/CAE-систем:

СAD-подсистемы обеспечивают:

-Черчение; твердотельное, поверхностное и каркасное 3-х мерное моделирование; моделирование «больших» сборок;

-Фотореалистическое отображение;

-Конструирование и раскрой из листовых материалов;

-Поддержку промышленных графических стандартов (IGES, DXF, STEP и др.);

-Вывод документации во всех основных чертежных стандартах (ANSY, ISO, DIN, ЕСКД и т.д.);

СAM-подсистемы обеспечивают:

-Эффективную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

-Быстрое генерирование постпроцессоров для различных систем ЧПУ и контроллеров;

CAE-подсистемы являются полномасштабными (т.е. полностью решающими весь спектр задач без каких-либо ограничений) и обеспечивают все виды инженерного анализа.

Полные версии систем функционируют на основных типах рабочих станций (как правило, на UNIX- платформах).

Классификация САПР – это система понятий для установления связей между ними для точного ориентирования в многообразии понятий. Классификация фиксирует место объекта в системе.

ГОСТ предлагает классификацию САПР по следующим признакам:

-По типу, разновидности, сложности объекта;

-По уровню автоматизации проектирования (АП);

-По комплексности АП;

-По характеру и числу выпускаемых документов;

-По числу уровней в структуре ПО;

Классификация по типу, или по назначению:

-САПР изделий машиностроения;

-САПР изделий приборостроения;

-САПР технологических процессов в машино и приборостроении;

-САПР объектов строительства;

-САПР технологических процессов в строительстве;

-САПР программных модулей;

-САПР организационных систем;

-Резерв;

-Резерв;

Однако, универсальные САПР могут успешно применяться в различных предметных областях. Кроме того, время внесло свои коррективы, и данную классификацию САПР можно представить следующим образом:

-Машиностроительные – разработка широчайшего спектра изделийот создания аэрокосмических систем до проектирования кофеварок и кухонных комбайнов;

-Изделия микроэлектроники– проектирование и моделирование функционально-логических, принципиальных и монтажных схем, печатных плат с автоматическим размещением элементов изделий, автотрассировка;

-Электротехнические – разработка принципиальных схем и схем подключения электротехнического оборудования, его пространственная компоновка, ведение баз данных готовых изделий;

-Архитектурные – трехмерное проектирование архитектурно-строительных конструкций, расчет специальных конструкций типа крыш, типовые статические расчеты строительных конструкций, ведение баз данных стандартных элементов, планирование территорий под строительство, проектирование ландшафтов и интерьеров;

-Оборудование промышленных установок и сооружений – создание принципиальных схем установок, пространственная разводка трубопроводов и кабельных трасc, проектирование систем отопления, водоснабжения, канализации, электроснабжения, вентиляции и кондиционирования, ведение баз данных оборудования, трубопроводной арматуры, готовых электротехнических изделий;

-Геоинформационные системы – оцифровка данных полевой съемки, анализ геодезических сетей, построение цифровой модели рельефа, создание в векторной форме карт и планов, ведение электронного картографического архива;

Составные структурные части САПР – подсистемы, которые обеспечивают получение законченных проектных решений. По назначению подсистемы разделяют на проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие выполняют проектные процедуры и операции (например, логическое проектирование, конструкторское проектирование). Обслуживающие осуществляют поддержку работоспособности проектирующих подсистем (например, информационный поиск, документирование, графическое отображение).

Выделим следующие принципы создания САПР:

-Принцип системного единства обеспечивает целостность системы и иерархичность проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования;

-Принцип информационного единства. Использование в подсистемах единых обозначений, проблемно-ориентированных языков, способов представления информации;

-Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую структуру в целом;

-Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и использование типовых и унифицированных подсистем, инвариантных к промышленным объектам. Типизации подлежат элементы, имеющие перспективу многократного применения;

-Принцип развития обеспечивает пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с другими автоматизированными системами различного назначения;

При создании САПР как нового изделия необходимо реализовать все стадии и этапы проектирования.

На первой стадии (предпроектные исследования) производится обследование той организации или подразделения, которая будет выполнять проектирование (например, конструкторского бюро), изучается предмет автоматизации, оформляется отчет, в котором проводится анализ существующих отечественных и зарубежных аналогов и дается предварительное технико-экономическое обоснование создания САПР. Отчет согласовывается в установленном на предприятии порядке.

Далее пишется техническое задание (ТЗ) на разработку САПР, где формулируются цели создания САПР, назначение, область применения, обосновывается оптимальный вариант системы, дается общее описание процесса проектирования, указываются ответственные исполнители, примерные сроки выполнения работ. Техническое задание разрабатывается, согласовывается и утверждается исполнителем совместно с заказчиком. На этой стадии завершается так называемое внешнее проектирование.

Внутреннее проектирование.

На стадии технического предложения осуществляется выбор рациональных вариантов САПР с учетом ТЗ, обоснование, дополнительные требования к САПР; обоснование и описание выбранного варианта; технико-экономическое обоснование; предложения по организации работ на следующих стадиях.

На стадии эскизного проекта разрабатываются принципиальные решения по созданию САПР и формам проектной документации, по структуре подсистем, требования к языкам проектирования.

На стадии технического проекта принимаются окончательные решения по созданию САПР, которые опять согласовываются и утверждаются.

Стадия рабочего проектирования предполагает создание подробной рабочей документации по САПР в целом и по ее подсистемам и компонентам. Результатом стадии рабочего проектирования является рабочий проект (РП), который включает в себя всю необходимую рабочую документацию.

Помимо детальной структуры САПР и подсистем, в РП входит документация информационного обеспечения – БД, правила заполнения; документация программного обеспечения – спецификация, тексты, порядок испытаний; документация математического, методического, лингвистического обеспечений; документация организационного обеспечения; методика и программа испытаний КСАП.

Следующая стадия проектирования САПР предполагает изготовление, отладку и испытание так называемых несерийных компонентов САПР. Помимо программного обеспечения здесь могут изготавливаться и отлаживаться специализированные технические средства, не выпускаемые серийно промышленностью, например, некоторые средства сопряжения различных устройств.

На заключительной стадии осуществляется сдача САПР в промышленную эксплуатацию, которая включает в себя, в частности, обучение пользователей, строительно-монтажные работы, если таковые необходимы, комплексную отладку САПР, опытную эксплуатацию, проведение приемочных испытаний, устранение замечаний, выявленных при испытаниях и, наконец, собственно сдачу системы в промышленную эксплуатацию.

1.2 Обоснование выбора проектирования в ANSYS.

Основное достоинсвто ANSYS файловая совместимость всех членов семейства ANSYS для всех используемых платформ. Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы) позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель, созданная на РС, обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач. Конечно в последние годы такими возможностями стали обладать и другие пакеты. Всем известен пакет Solid Works обладающий мощными возможностями создания много тельных конструкций (в этом он превосходит все версии ANSYS включая и ANSYS Work bench) и средствами анализа на основе метода конечных элементов. Но в нашем пакете возможности анализа намного больше, хотя в этой работе они используются не все. Набирает популярность и пакет Comsol Multi Physics он не уступает Ansys и обладает преимуществом в том что существуют сетевые серверы для пользователей, которые можно запускать из сети со своего ПК не имея пакета на своем компьютере. Но мы уверены, что ANSYS вскоре будет обладать и этими возможностями. Кроме того методология работы на пакетах должна быть таковой, что бы можно было легко перестраиваться с одного на другой.

Как новичкам, так и опытным пользователям эта программа предлагает непрерывно растущий перечень расчетных средств, которые могут учесть разнообразные конструктивные нелинейности; дают возможность решить самый общий случай контактной задачи для поверхностей; допускают наличие больших (конечных) деформаций и углов поворота; позволяют выполнить интерактивную оптимизацию и анализ влияния электромагнитных полей, получить решение задач гидроаэродинамики и многое другое - вместе с параметрическим моделированием, адаптивным перестроением сетки, использованием р-элементов и обширными возможностями создания макрокоманд с помощью языка параметрического проектирования программы ANSYS (APDL). Система меню (на основе разработки фирмы Motif) обеспечивает ввод данных и выбор действий программы с помощью панелей диалога, выпадающих меню и окон списка, помогая пользователю управлять программой. Средства твердотельного моделирования включают в себя представление геометрии, основанное на использовании сплайновой технологии NURBS, геометрических примитивов и операций булевой алгебры (выполняемых модулем SHAPES фирмы XOX Corp., который встроен в программу ANSYS).

Модуль программы ANSYS DesignDataAccess (DDA) обеспечивает передачу в программу моделей, созданных средствами компьютерного проектирования (CAD), что исключает повторение выполненной прежде работы. Назначение модуля DDA состоит в том, чтобы дать пользователю возможность получить результаты конечно-элементного анализа, которые в полной мере обусловлены исходной информацией, содержащейся в проектной разработке, а также предоставить современные и самые совершенные средства обмена данными. Программные средства серии DDA Connection могут работать совместно с разработками многих ведущих поставщиков CAD-программ, включая компании ParametricTechnologyCorporation, EDS/Unigraphics и ComputervisionCorporation. Последней версией этой серии является программное средство DDA Interactive, позволяющее использовать для конечно-элементного анализа непосредственно CAD-модели за счет современного интефейса и установлению взаимосвязи между CAD-информацией и данными, требующимися для проведения анализа. Кроме того, возможности анализа и оптимизации программы ANSYS легко переносятся на CAD-модели за счет использования форматов IGES и STEP для пересылки геометрии или соответствующего интерфейса ведущих CAD-программ.

Все функции, выполняемые программой ANSYS, объединены в группы, которые называются процессорами. Программа имеет один препроцессор, один процессор решения, два постпроцессора и несколько вспомогательных процессоров, включая оптимизатор. Препроцессор используется для создания конечно-элементной модели и выбора опций для выполнения процесса решения. Процессор решения используется для приложения нагрузок и граничных условий, а затем для определения отклика модели. С помощью постпроцессора пользователь обращается к результатам решения для оценки поведения расчетной модели, а также для проведения дополнительных вычислений, представляющих интерес.

В программе ANSYS используется одна, центральная, база данных для всего набора сведений, относящихся к модели и результатам решения. Сведения о модели (включая данные о геометрии твердотельной и конечно-элементной моделей, свойствах материалов и т.д.) записываются в базу данных на стадии препроцессорной подготовки. Нагрузки и результаты решения записываются процессором решения. Данные, полученные на основе результатов решения при их постпроцессорной обработке, записываются постпроцессором. Сведения, внесенные одним из процессоров, доступны, при необходимости, для других процессоров. Например, общий постпроцессор может считывать данные, относящиеся к решению и модели, а затем использовать их для постпроцессорных вычислений.

Программа ANSYS является средством, с помощью которого создается компьютерная модель или обрабатывается CAD-модель конструкции, изделия или его составной части; прикладываются действующие усилия или другие проектные воздействия; исследуется отклики системы различной физической природы в виде распределений напряжений и температур, электромагнитных полей. Программа используется для оптимизации проектных разработок на ранних стадиях, что снижает стоимость продукции. Все это помогает проектным организациям сократить цикл разработки, состоящий в изготовлении образцов-прототипов, их испытаний и повторном изготовлении образцов, а также исключить дорогостоящий процесс доработки изделия.

В ряде случаев испытания образцов являются нежелательными или невозможными. Программа ANSYS уже применялась в подобных ситуациях, включая и такие области биомеханических приложений, как протезирование тазобедренного сустава и создание внутриглазных линз. Другие значимые приложения программы касаются широкой области применения: от узлов изделий тяжелого машиностроения до интегральных микросхем.

Разработчики, использующие программу ANSYS, могут выявить возможные недостатки проекта или найти его оптимальный вариант до начала изготовления или эксплуатации продукции. Так, например, одна проектная фирма использовала средства оптимизации программы для изменения конструкции гибкого диска автомобильной муфты сцепления. Ставилась цель повысить число циклов до разрушения и достигнуть более равномерного распределения напряжений при наличии ограничений на геометрию и механические свойства материала диска. При проведении оптимизации была выполнена серия расчетов для параметрической модели диска, автоматически меняющей выделенные размеры до получения оптимальной формы диска. Результаты расчетов показали, что разница между крайними значениями эквивалентных напряжений в диске уменьшилась на 27 %, максимальные напряжения уменьшились на 28 %, а время до разрушения возросло на 35 %. Программа ANSYS позволила уменьшить количество дорогостоящих образцов, изменить жесткость диска и найти нужные геометрические размеры.

Конечно-элементный анализ с помощью программы ANSYS может помочь значительно уменьшить расходы на проектирование и изготовление, добавить уверенности разработчику в правильности принятых им решений. Конечно-элементный анализ наиболее эффективен на концептуальной стадии проекта. Он также полезен при верификации окончательного варианта разработки перед проведением испытаний образцов.

Анализ, который проводится с помощью программы ANSYS, состоит из трех стадий: препроцессорная подготовка, получение решения и постпроцессорная обработка. На стадии препроцессорной подготовки задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения. Можно также использовать модуль статистического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов памяти.

В программе ANSYS координатные системы используются для размещения в пространстве геометрических объектов, определения направлений степеней свободы в узлах сетки, задания свойств материала в разных направлениях и для управления графическим изображением и содержанием выходных результатов. Можно использовать декартовы, цилиндрические, сферические, эллиптические и тороидальные системы координат; все они могут быть расположены и ориентированы в пространстве произвольным образом.

Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке, становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена на таблицы координатных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых точек, узлов сетки, нагрузок и т.д. Как только в таблице появляются некоторые данные, на них становится возможным ссылаться по входному номеру таблицы. Например, могут быть определены несколько координатных систем, которые активизируются простой ссылкой на соответствующий номер системы (входной номер таблицы). Кроме того, существует набор команд управления базой данных, чтобы выделить некоторую ее часть для определенных операций. Выделение необходимых данных можно проводить по местоположению геометрических объектов, графическим примитивам твердой модели, типам конечных элементов, видам материалов, номерам узлов и элементов и т.п. Так, например, сложные граничные условия можно легко указать или изменить, используя геометрическое представление модели, а не номера узлов или элементов. Пользователь имеет возможность ввести обширную информацию, относящуюся к данной расчетной модели, но программа будет использовать только ту ее часть из базы данных, которая необходима для определенного вида анализа.

Еще одним удобным способом выбора данных является разделение модели на компоненты или слои, представляющие собой группы геометрических объектов, которые определены пользователем для ясности или логической организации процесса. Компоненты могут быть окрашены в разные цвета, чтобы выделить различные части сложной модели.

Программа ANSYS снабжена обширным набором средств для создания геометрической модели, что позволяет легко и быстро строить конечно-элементную модель реальной инженерной системы. Существуют три разных способа генерации модели: импорт модели, твердотельное моделирование и непосредственное создание модели. Каждый из методов обладает только ему присущими уникальными возможностями и преимуществами. Пользователь может выбрать любой из этих методов или использовать их комбинацию для построения расчетной модели.

Программа ANSYS делает возможным быстрое и удобное построение сетки высокого качества для CAD-моделей. При этом используются многочисленные средства управления качеством сетки.

После того как построена твердотельная модель, ее конечно-элементный аналог (т.е. сетка узлов и элементов) может быть создана всего лишь одним обращением к меню программы. В программе ANSYS предусмотрено четыре способа генерации сетки: использование метода экструзии, создание упорядоченной сетки, создание произвольной сетки (автоматически) и адаптивное построение.

Программа ANSYS предоставляет в распоряжение пользователя надежные генераторы произвольной сетки, с помощью которых она может наноситься непосредственно на модель достаточно сложной геометрии - без необходимости строить сетку для отдельных частей и затем собирать их в единую модель. Произвольную сетку можно строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов. Генераторы произвольной сетки имеют в наличии основной и дополнительный построители, что повышает гибкость выбора для пользователя и вероятность получения сетки удовлетворительного качества.

Пользователь получает результаты анализа на стадии решения, после того как в процессе препроцессорной подготовки построена расчетная модель. Эта фаза применения программы ANSYS состоит в задании вида анализа и его опций, нагрузок и шага решения и заканчивается запуском на счет конечно-элементной задачи.

Выбранный вид анализа указывает программе, какие разрешающие уравнения следует использовать для решения данной задачи. Самый общий набор доступных категорий расчета состоит из средств решения прочностных и тепловых задач, средств анализа при действии электростатических, электрических и электромагнитных полей, решения задач гидроаэродинамики и связанных задач.

Каждая категория расчетов включает несколько их отдельных типов, как например, статический и динамический типы прочностных расчетов. Выбором опций можно дополнительно определить особенности проводимого анализа. Так, например, для решения нелинейных уравнений имеется возможность указать один из нескольких вариантов метода Ньютона-Рафсона.

Заданные нагрузки и ограничения определяют граничные условия для расчетной модели. К нагрузкам относятся ограничения степеней свободы, сосредоточенные, распределенные, объемные и инерционные усилия. Конкретный вид нагрузок зависит от вида проводимого анализа (например, приложенная в точке нагрузка может быть сосредоточенной силой при прочностном анализе или тепловым потоком при расчете теплопередачи).

На стадии получения решения имеется возможность изменить свойства материала и атрибуты конечного элемента, например, толщину, активизировать или деактивировать элементы (опции “есть” - birth и “нет” - death), указать ведущие степени свободы (MDOF) и определить условия в зазорах.

После того как все соответствующие параметры заданы, может быть выполнено и само решение. Пользователь поручает программе решить определяющие уравнения и получить результаты для выбранного вида анализа. В вычислительном отношении это самая интенсивная часть анализа, не нуждающаяся, однако, во вмешательстве пользователя. Она требует самых значительных затрат компьютерного времени и минимальных затрат времени пользователя [2-8].

1.3 Моделирование бурового инструмента в программе ANSYS.

С ростом сложности проектируемых объектов сроки и стоимость такого проектирования оказываются чрезмерно большими. Поэтому возникла необходимость в переходе от физического экспериментирования к математическому моделированию, замене эвристических приемов оценок, определении параметров и оформлении документации алгоритмизированными процедурами.

В данном дипломном проекте была представлена общая схема буровой штанги построенная в Ansys. Решение задачи НДС проводилось с помощью пакета программы ANSYS.

Одной из главных целей этого проекта является создание напряженно-деформированного состояния буровой штанги при равномерно распределенном давлении.

В различных областях техники получили широкое распространение детали, имеющие форму полого или сплошного цилиндра, зачастую подвергающиеся динамическим нагрузкам и большим контактным давлениям. Указанное, накладывает повышенные требования к надежности данных деталей в различных условиях эксплуатации, в том числе и экстремальных.

Для обеспечения высокой надежности многие детали подобного рода обрабатываются на первых этапах изготовления безотходными методами, которые, как правило, улучшают их физико-механические свойства. К таким методам, в частности, относятся поперечная ковка, поперечная и поперечно-винтовая прокатка, при которых цилиндры подвергаются циклическому нагружению.

Решение трехмерной упругопластической задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндра в условиях циклического радиального сжатия представляет значительные трудности. Однако процесс разрушения циклически деформируемого цилиндра, с позиций чисто феноменологических, может быть представлен как результат изменения напряженно-деформированного состояния данного тела в зависимости от геометрических факторов, условий на контуре, остаточных напряжений, вызванных упрочнением материала. Это позволяет в основном свести трехмерную задачу к ряду плоских, а исследование напряженно-деформированного состояния цилиндра в условиях циклического радиального сжатия провести с учетом каждого из факторов в отдельности.

В настоящее время бурение скважин, многоцелевое производство и современная промышленность предлагает большой выбор технических средств и технологий, в которых требуется разбираться, чтобы принять правильное решение. В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции между недропользователями к специалистам геологам предъявляются соответствующие требования, так как от его квалификации и знаний, порой на уровне интуиции, может зависеть успех всего предприятия.

Моделирование бурового инструмента в условиях его заклинивания в результате высокого износа твердых элементов бурового долота.

Условие нагружения: зажимаем буровое долото по всем осям и задаем вращательное усилие на долото с учетом рабочего давления бурового станка фирмы AtlasCopcoDM 45 P=25 бар =2,5 МПа, рисунок 1.1:

Рисунок 1.1.

Рисунок 1.2 видим напряженно-деформированное состояния бурового инструмента в результате решения задачи в ANSYS:

Рисунок 1.2

1.4 Проектирование и разработка 3 d модели трёхшарошечного бурового долота.

Примем конструкцию долота, которая может быть создана и без применения технологии литья. В данном случае она состоит из полого усеченного конуса к которой приварена конусная приставка большего диаметра (рисунки 1.3-5), а к ней вертикальная приставка к которой уже крепится конусное долото с шарошками. В данном случае изображена одна приставка, но конструкция допускает двух и трёх шарошечное крепление. Силовой анализ конструкции, тем не менее, произведём для схемы с одной приставкой, так как с учётом обеспечения максимальной надёжности работы рассматривается схема с максимальным нагружением. Такая схема возможна при встрече соседних долот например с пустотами или низкопрочными участками породы. Т.е. будет реализована не симметричная схема нагружения. Заметим, что именно эта возможность и обеспечивается 3d моделированием. Выполнение конструкции долота из элементов имеющих параллельные оси позволяет в дальнейшем рассматривать и более сложные активно управляемые элементы нагружающие породу.

Для создания модели используем команду создания объемов. На этих рисунках представлены этапы построения корпуса бурового трехшарошечного долота.

Рисунок 1.3

Рисунок 1.4

Рисунок 1.5

Построение сопровождается генерацией сетки для проверки работоспособности создаваемой модели долота (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6

Далее строится лапа (секция) долота и проводится проверка с помощью построения сетки.

Рисунок 1.7

Построение шарошки ведется с помощью команды генерации объемов вращением поверхности относительно осей

5

Рисунок 1.8

Рисунок 1.9

1.5 Анализ и разработка элементов методики автопроектирования и моделирования скважин

Исходные данные[9-12].

Расчет модели

/BATCH

! /COM,ANSYS RELEASE 13.0 UP20101012 11:19:51 12/09/2013

/input,start130,ans,'C:Program FilesANSYS Incv130ANSYSapdl',,,,,,,,,,,,,,,,1

! /COM,ANSYS RELEASE 13.0 UP20101012 11:13:31 12/09/2013

/input,start130,ans,'C:Program FilesANSYS Incv130ANSYSapdl',,,,,,,,,,,,,,,,1

/NOPR !переход к объмной задаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7

/UNITS,SI!расчетывс.СИ

ET,1,SOLID92

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,3e5

MPDATA,PRXY,1,,0.3

MPDATA,DENS,1,,0.000002

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,2,,2e11

MPDATA,PRXY,2,,0.2

MPDATA,DENS,2,,0.000004

BLOC,-5,5,-10,300,5,-5

cylindr, 0.3,0,0,100

vsbv, 1,2

cyl4, 1,0,0.3,0,0,360,100

vsbv, 3,1

lesize, 25, 0.03

lesize, 26, 0.03

lesize, 33, 0.03

lesize, 34, 0.03

MSHKEY,0

MSHAPE,1,3d

CM,_Y,VOLU

VSEL, , , , 2

CM,_Y1,VOLU

CHKMSH,'VOLU'

CMSEL,S,_Y

!*

VMESH,_Y1

!*

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

!*

FINISH

/SOL

EQSLV,PCG,1E-8

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,3

!*

/GO

DA,P51X,ALL,

! /STATUS,SOLU

!LGWRITE,'lol','lgw','D:ffGM103~151A2~1',COMMENT

FINISH

/PREP7

FINISH

/SOL

FLST,2,12,5,ORDE,6

FITEM,2,1

FITEM,2,-7

FITEM,2,11

FITEM,2,-12

FITEM,2,14

FITEM,2,-16

!*

/GO

DA,P51X,UX,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,1

!*

/GO

DA,P51X,UX,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,6

!*

/GO

DA,P51X,UZ,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,5

!*

/GO

DA,P51X,UZ,

ACEL,0,9.8,0,

! /STATUS,SOLU

SOLVE

FINISH

/POST1

!*

! /EFACET,1

! PLNSOL, S,Y, 0,1.0

FSUM,0,ALL

NFORCE,ALL

KCALC,0,1,0,0

LGWRITE,'lol','lgw','D:ffGM103~151A2~1',COMMENT

Так учитываем горное давление на скважину

построили блок

в блоке построили два цилиндра

с помощью lesize изменили разбиение линий

построили сетку

Спомощью sol’n controls выбираем pre-condition

задаем defineloads на основание

по Y задаем гравитацию 9,8

решаем задачу

смотрим нагрузку по Х

смотрим нагрузку по Y

смотрим нагрузку по Z

создаем напряжение между трубами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной научной работе, рассмотрен процесс шарошечного бурения в которое может быть применено в различных условиях, и может обеспечить существенное повышение эффективности работы оборудования

Рассмотрено построение модели шарошечного долота на основе средств и методов автопроектирования. Модель состоит из полого усеченного конуса, к которой приварена конусная приставка большего диаметра, а к ней вертикальная приставка, к которой уже шарнирно крепится конусное долото с шарошками. Поскольку оцениваются максимальные напряжения возникаюшие во всей конструкции, то расчёт выполнен для конструкции с одной вертикальной приставкой, хотя допустимо двух и трёхшарошечное крепление. Выполнение конструкции долота из элементов имеющих параллельные оси для каждого из конусных долот позволяет в дальнейшем рассматривать и более сложные активно управляемые элементы нагружающие породу.

5. С экономической точки зрения рациональной конструкцией долота является конструкция, обеспечивающая минимум эксплуатационных затрат на 1 метр проходки при бурении в конкретных геологических условиях, к таким системам можно отнести трёхшарошечное долото. Расчеты показывают, что экономия на 1 м проходки шарошечными долотами составляет 6959 тенге по сравнению с алмазными.

Рассмотрена методика построения моделей горизонтальных скважин и их нагружения при имитации процесса активизации нефтедобычи за счет дополнительного трешинообразования массива. Недра и пласт моделировались разноупругими блоками с заданным модулем упругости коэфициентом Пуасона и плотностью. Таким образом задача решена в 3d постановке, что в последствии с учетом накопления экспериментальных данных позволит резко уточнить влияние скважин друг на друга и на окружающий массив. Для уточнения напряженно-деформированного состояние между скважинами применено программное управление конечными элементами, что позволило получить достаточно точное распределение напряжений реализованное в виде общей цветовой картины полос , а также графически по узлам конечно-элементной решетки и по сглаженным кривым. Напряженно деформированное состояние в пространстве между скважинами существенно возрастает, что способствует интенсификации здесь трещин и возрастанию перетока нефти, причем из этих зон переток нефти увеличивается в 3 и более раз.

Литература

Каппас А.К. Проектирование элементов станков для скважин. IX Международная студенческая научная конференция «Студенческий научный форум» - 2017, https://www.scienceforum.ru/2017/search/result

Гусман М. Т. “Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров” учебник. – Москва 1996 - 368 с.

Персианцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях, М.: Недра – Бизнесцентр, 2000. 653 с.

Бухаленко Е.И. Справочник по нефтепромысловому оборудованию, М.: Недра, 1983. 399 с.

Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти / РГУ им. И.М. Губкина, М.: Нефть и газ, 2003. 816 с.

Муравьев И. М., Б а з л о в М. Н., Ж у к о в А. И., Чернов Б. С. Технология и техника добычи нефти н газа,М.: Недра, 1971. 496 с.

Молчанов А.Г., Чичеров А.Л. Нефтепромысловые машины и механизмы. М.: Недра, 1976, 328 с.

Бойко В.С. Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений: Учебн. для вузов. – М.: Недра, 1990. 427 с.

Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструирование). М.: Недра, 1968. 272 с.

Покрепин Б.В. Разработка нефтяных и газовых месторождений: Учебное пособие. Ин-Фолио: 2008. 191 с.

Нефтяная Энциклопедия Казахстана. В 2-х т. Алматы: Общественный Фонд «Мұнайшы», 2005. Т.I. 612 с.

Шманов М.Н., Бейсембаев К.М. Состояние и эксплуатация нефтегазовых залежей: учебно-методическое пособие. КарГТУ, Караганда: 2010. 165 с.

Код для цитирования: Скопировать