Анотація до роботи:

Улітін Г.М. Динаміка та стійкість бурильних колон бурових установок роторного типу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – “Динаміка та міцність машин”. – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003.

В дисертації захищаються наукові положення, спрямовані на проведення технічних розрахунків з динаміки та стійкості бурильних колон бурових установок роторного типу. Розроблені та досліджені математичні моделі взаємовпливу коливальних процесів і взаємодії колон із промивної рідиною. На основі точних розв’язків для систем із розподіленими та зосередженими параметрами методом Фур’є, коли власні функції ортогональні з вагою, вивчені поздовжні та крутильні коливання бурильних колон. Визначені власні частоти поперечних коливань бурильної колони при розтязі-стиску. Проведена класифікація ударних процесів у бурових установках, побудовані та досліджені їх математичні моделі. З використанням функцій Бесселя і Ломмеля розв’язані задачі теорії стійкості колон, що зазнають розтягу-стиску. На основі точних розв’язків проведені оцінки наближених інженерних розрахунків.

Методики розрахунків на ударні навантаження та з оптимальних режимів буріння впроваджені у виробництво, що дозволяє проводити безаварійне буріння і виконувати розрахунки для ловильних пристроїв, якщо аварія відбулася, і потрібно ліквідувати її наслідки.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій виконана розробка теорії динамічних процесів і стійкості бурильних колон бурових установок роторного типу, що грунтується на дослідженні механічної системи з розподіленими та зосередженими параметрами і стійкості колони як вагомого стержня при розтязі-стиску. Результати досліджень лягли в основу практичних рекомендацій по проектуванню і технологічним режимам буріння колон. Крім того, її методи можуть бути використані для механічного устаткування, яке має пружні стержньові системи, зокрема, для колон бурових установок інших типів.

Основні наукові та практичні результати, висновки і рекомендації виконаних досліджень полягають у наступному:

1. На основі отриманої математичної моделі сумісних коливань бурильних колон проведено аналіз взаємовпливу поздовжніх, поперечних і крутильних коливань. Доведено, що крутильні коливання є відокремленими, поперечні коливання практично не впливають на поздовжні, та поздовжні можуть викликати параметричний резонанс поперечних коливань. Проте в колоні при розтязі динамічна область нестійкості достатньо вузька, і тому на практиці буріння для установок роторного типу такий параметричний резонанс не відбувається.

2. Досліджено вплив опору промивної рідини на напружено-деформований стан і стійкість бурильних колон, у тому числі розв’язана нова задача про лобовий опір обтяжувачів. Показано, що цей вплив для бурових установок системи “WIRTH” незначний.

3. Розглянуто застосування методу Фур’є для систем із розподіленими та зосередженими параметрами, які є моделлю бурового устаткування: вишка – талева система – бурильна колона – обтяжувачі з долотом, коли власні функції ортогональні з вагою. Це дало можливість розв’язати ряд нових задач у динаміці бурильних колон.

4. На основі точного розв’язання рівняння поздовжніх коливань механічної системи виконані оцінки спрощених інженерних методів динамічних розрахунків. Із порівняння витікає, що вплив вишки та її жорсткості можна не враховувати, жорсткість талевої системи повинна враховуватись при глибинах буріння менше 500 м, для глибин буріння більше 800 м впливом талевої системи можна знехтувати. Оцінки розповсюдженої теорії про заміну системи з розподіленими параметрами дискретною показали, що це спрощення допустиме тільки для основної частоти коливань і глибин менше 600 м.

5. Досліджені вимушені поздовжні та крутильні коливання бурильних колон із урахуванням талевої системи й ваги обтяжувачів із долотом. Показано, що динамічні напруження при поздовжніх при поздовжніх коливаннях зростають із збільшенням глибини буріння і незначно залежать від жорсткості талевої системи та кутової швидкості обертання колони. Із розв’язку задачі про вимушені крутильні коливання витікає, що максимальні дотичні напруження зменшуються зі збільшенням глибини буріння та зменшенням ваги обтяжувачів.

6. Розв’язана нова задача визначення власних частот згинальних коливань бурильної колони, що зазнає розтягу-стиску. Аналіз виконаних розрахунків показав, що розтяг збільшує частоти коливань особливо при глибинах більше 50 м. Порівняння з частотами, обчисленими за відомою наближеною формулою для окремого випадку розтягу, показало що різниці значні (до 100%) для малих глибин буріння. Із збільшенням глибин і для високих обертонів коливань вони зменшуються.

7. Проведена класифікація ударних процесів у бурових установках і виконано дослідження їх математичних моделей, що раніше в літературі наводилось тільки для деяких окремих випадків крутильного удару. На основі проведених досліджень дається ряд рекомендацій з технологічних питань буріння вертикальних свердловин роторним способом.

8. Вперше отримані аналітичні розв’язки задач про поздовжні та крутильні удари на основі хвильової теорії дозволили отримати зручні формули для інженерних розрахунків і провести оцінки наближених методів розрахунку на практиці. Обчислення показали, що похибки наближених методів обчислення напружень, викликаних змінюванням швидкості, досягають 40%.

9. Вперше отримано рівняння зігнутої осі колони як вагомого стержня в спеціальних функціях Бесселя і Ломмеля. Це дало можливість розв’язати задачу стійкості з різними граничними умовами та з урахуванням спряження розтягнутого і стиснутого участків колони. Такий підхід дозволив зробити оцінку наближеного методу розв’язання задач стійкості, коли розподілене навантаження замінюється зосередженим, і отримати формули для критичних навантажень при великих глибинах буріння, що раніше в літературі виконувалось тільки чисельними методами.

10. Проведено дослідження впливу крутячого моменту і кутів закручування на стійкість бурових колон. Вперше показано, що урахування закручування колони як пружного вагомого стержня суттєво зменьшує значення критичного моменту (у 2,35-6 разів) в залежності від глибини буріння. Крутячий момент на роторі на стійкість колони практично не впливає.

11. Розв’язана нова задача про динамічну стійкість бурильної колони з урахуванням розподіленого від ваги навантаження при жорсткому защемленні торців. Визначені критичні швидкості обертання колони, які відрізняються від наближених у 1,5 рази.

12. Результати роботи по динаміці поздовжніх коливань лягли в основу динамічного розрахунку ловильного пристрою, за допомогою якого були ліквідовані наслідки надто рідкої, нестандартної аварії при прохідці шахтного вентиляційного ствола на шахті “Краснолиманська” в 1999 р. Практичний досвід витягання відірваного бурильного інструмента з достатньою точністю підтвердив теоретичні розробки.

13. Результати розглянутих задач із динаміки крутильних, поперечних коливань і стійкості бурильних колон лягли в основу рекомендацій по вибору оптимальних режимів буріння при різних глибинах. Це дозволило раціонально задавати швидкості обертання колони, натяги канатів талевої системи та час навантаження ротора, щоб запобігти втраті стійкості прямолінійної форми колони і додадковим динамічним напруженням.

14. Наочність застосування методу Фур’є в системах із розподіленими та зосередженими параметрами дозволяє використовувати такий підхід для розв’язання задач динаміки стержньових систем у навчальному процесі при викладанні спецкурсів для магістрів.

Публікації за темою дисертації та особистий вклад здобувача:

Основні положення та результати дисертації опубликовані у 36 наукових роботах:

1. Шевченко Ф.Л., Улiтiн Г.М. Динамiчнi задачi стержньових систем. – К.: IСДО, 1995. – 100 с.

2. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Вычисление перемещений при изгибе гибких стержней// Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1991. – №8 – С. 22-26.

3. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Динамика балки на сплошном упругом основании// Изв. вузов. Строительство. – 1996. –№4. – С. 31-36.

4. Улитин Г.М. Решение динамических задач на ударную нагрузку в буровых установках роторного типа// Вибрации в технике и технологиях. – 1998. – №2. – С. 78-80.

5. Улитин Г.М. О динамических нагрузках в буровых установках роторного типа при продольных колебаниях// Известия Донецкого горного института. – 1999. – №1. – С. 89-90.

6. Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Ударные процессы в буровых установках// Вибрации в технике и технологиях. – 2000. – №1. – С.70-74.

7. Улитин Г.М. Продольные колебания упругого стержня, моделирующего буровую установку// Прикладная механика. – 2000. – №10. – С. 125-128.

8. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Влияние сопротивления промывочной жидкости на динамику буровой колонны// Изв. вузов. Горный журнал. – 2000. – №6. – С. 31-36.

9. Улитин Г.М., Шевченко Ф.Л. О взаимном влиянии колебательных процессов в динамике буровых колонн// Изв. вузов. Горный журнал. – 2000. – №6. – С.60-63.

10. Улитин Г.М. Продольно-поперечный изгиб и устойчивость бурильных колонн// Известия Донецкого горного института. – 2000. – №2. – С. 26-28.

11. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М., Гуня А.П., Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Разработка ловильного устройства для ликвидации аварий при проходке вертикальных скважин// Известия Донецкого горного института. – 2000. – №1. – С. 101 – 105.

12. Улитин Г.М. Обеспечение динамически устойчивой работы буровой колонны роторного типа// Уголь Украины. – 2001. – №1. – С. 28-29.

13. Улитин Г.М. Изгибные колебания бурильной колонны с учетом растяжения-сжатия// Известия Донецкого горного института. – 2001. – №2. – С.28-30.

14. Ulitin G. Solutions for an equation of a bend of a weighable rod// Buletinul stiintific al universitatii din Baia Mare. – 2001. – Vol. 17, N1-2. – P. 169-172.

15. Улитин Г.М. Устойчивость колонны буровой установки роторного типа// Проблемы прочности. – 2002. – №1. – С. 130-135.

16. Улитин Г.М. Устойчивость бурильной колонны при кручении// Вибрации в технике и технологиях. –2002. – №1. – С. 86-88.

17. Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Влияние скорости промывочной жидкости на напряженно-деформированное состояние бурильной колонны при продольных колебаниях// Вибрации в технике и технологиях. – 2002. – №2. – С. 49-53.

18. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Исследование частот собственных колебаний буровых установок роторного типа// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – Вып. 5. – С. 231-234.

19. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Крутильный удар при свободных колебаниях в буровых установках// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонГТУ. – 1999. – Вып. 8. – С. 244-247.

20. Улитин Г.М. Продольные удары при спуске буровой колонны// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. – Вып. 10. – С. 249-253.

21. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М., Гуня А.П., Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Устранение аварий при проходке стволов буровой установкой системы «WIRTH»// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. – Вып. 14. – С. 86-93.

22. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Методы расчета бурильных колонн на продольный удар// Науковi працi ДонДТУ. – Донецьк: ДонДТУ. – 2001. – Вип. 27. – С. 414-420.

23. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Тю Н.С. Колебания бурильной колонны с учетом внутреннего трения// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонГТУ. – 2001. – Вып. 18. – С. 81-86.

24. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. О разновидностях крутильных ударов, возникающих при работе буровых установок, и способы их устранения// Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. – Екатеринбург: Уральская ГГА. – 2001. – Вып. 24. – С. 132-138.

25. Улитин Г.М. Об особенностях расчета на устойчивость бурильных колонн при больших глубинах бурения// Наукові праці ДонДТУ. – Донецьк: ДонДТУ. – 2001. – Вип. 24. – С. 77-79.

26. Шевченко Ф.Л., Петтик Ю.В., Улитин Г.М. Ловильные устройства для ликвидации аварий при проходке скважин буровыми установками// Наукові праці ДонДТУ. Донецьк: ДонДТУ. – 2001. – Вип. 24. – С.99-104.

27. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. К вопросу об устойчивости бурильной колонны буровых установок роторного типа// Захист металургiйних машин вiд поломок. – Марiуполь: ПДТУ. – 2002. – Вип. 6. - С. 217-222.

28. Шевченко Ф.Л., Улiтiн Г.М. Динамiчнi задачi стержньових систем// 2-й Мiжнар. симп. українських інженерів-механіків. – Львів: ДУ «Львівська політехніка». – 1995. – С. 56.

29. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Решение динамических задач с учетом свойств собственных функций для стержневых систем с распределенными и дискретными параметрами// Труды Региональной конференции, посвященной 75-летию ДонГТУ. – Донецк: ДонГТУ. – 1996. – С. 97-100.

30. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. Динамические задачи весомых стержней ступенчато-переменной жесткости// Труды Междунар. конф. «Металлостроительство-96». – Том 2. – Донецк-Макеевка: Донбасская ГАСА. – 1996. – С. 85-87.

31. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. О влиянии сопротивления промывочной жидкости на продольные колебания буровой колонны// Труды Междунар. конф. «Прогрессивные технологии машиностроение и современность». – Донецк: ДонГТУ. – 1997. – С. 262-263.

32. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М., Петтик Ю.В. Моделирование свободных и вынужденных колебаний установок реактивно-турбинного бурения// Труды Междунар. конф. «Прогрессивные технологии машиностроения и современность». – Донецк: ДонГТУ. – 1997. – С. 263-264.

33. Улитин Г.М. Математическая модель продольных колебаний буровой колонны// Труды Междунар. конф. «Прогрессивные технологии машиностроения и современность». – Донецк: ДонГТУ. – 1997. – С. 247-248.

34. Шевченко Ф.Л., Улитин Г.М. К определению динамических параметров буровой вышки системы «WIRTH»// Труды V Междунар. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века». – Том 3. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – С. 274-277.

35. Петтик Ю.В., Улитин Г.М. Разработка элементов САПР динаміки буровых систем// Труды VI Междунар. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века». – Том 2. – Донецк: ДонГТУ. – 1999. – С. 263-266.

36. G.M. Ulitin. On stability of boring colomns// Stability, control and rigial bodies dynamics. VIII International Conference. Book of abstract. – Donetsk (Ukraine). – 2002. – P.118.

Особистий вклад автора в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: [1, 3, 22, 24, 28-30] – постановка математичних моделей та їх розв’зання методом Фур’є з урахуванням вагової функції та дослідження отриманих результатів за допомогою методу поліпшення збіжності рядів; [2] – розв’язання нелінійного диференціального рівняння зігнутої осі стержня та аналіз отриманих результатів; [6, 19] – формулювання загальної постановки та розв’язання задачі для бурових установок роторного типу; [8, 31, 32] – розв’язання математичних моделей і проведення досліджень; [9] – дослідження системи диференціальних рівнянь, що описують сумісні коливальні процеси; [11, 21, 26] – проведення динамічного розрахунку ловильного пристрою; [17] – формулювання постановки задачі та метод її розв’язання; [18] – отримання та дослідження частотного рівняння; [23] – формулювання математичних моделей і розв’язання граничних задач; [27] – дослідження рівняння стійкості; [34] – виконання розрахунків динамічних параметрів бурової вишки; [35] – формулювання математичної моделі та її дослідження для бурової установки “WIRTH”.