Результаты, приведенные в разделах 4.5 и 4.6, свидетельствуют о том, что первая собственная частота р колебаний моноопоры зависит от условий нагружения ее верхнего конца, т.е. от сил тяжести буровых механизмов Р₁ [см. выражение (4.77)], величины и направления технологической силы Р [см., например, выражение (4.105)]. Существенное влияние на значение р оказывает также расчетная высота L моноопоры, определяемая глубиной Н акватории и свойствами донных грунтов, и геометрия сечения моноопоры.

Для проектирования моноопорного основания должны быть известны параметры и целевое назначение скважины. При этом, как правило, ориентируются на уже имеющееся в наличии буровое оборудование и на известные характеристики акваторий (глубина, состав грунта дна, волновые режимы). Поэтому анализ влияния на величину р различных факторов целесообразно начать с оценки роли параметров Р₁, Р и L.

Влияние внешней нагрузки и глубины акватории. Анализ результатов исследований зависимости первой собственной частоты р моноопоры от условий ее работы и нагружения показывает следующее.

С ростом расчетной высоты L моноопоры ее первая собственная частота р уменьшается независимо от условий нагружения верхнего конца (рис. 5.10). Причем размещение на моноопоре платформы с буровыми механизмами приводит к существенному снижению собственной частоты колебаний по сравнению с состоянием, когда верхний конец моноопоры абсолютно свободен от нагрузок (рис. 5.10, а). Эффект снижения собственной частоты колебаний стержня в результате приложения не меняющей направления сжимающей силы, которой для моноопоры становится сила тяжести платформы с буровыми механизмами, хорошо известен из курса теории колебаний. Вывод о существовании подобного эффекта можно сделать и на основе анализа структуры выражения (4.77).

Технологические нагрузки, имеющие следящий характер, на собственную частоту колебаний моноопоры оказывают менее

Рис. 5.10. Зависимость первой частоты р собственных колебаний моноопоры диаметром D = 0,324 м от ее расчетной высоты L и условий нагружения:

1 - масса буровых механизмов m = 2500 кг, технологическая сила Р = 0; 2 - m = 0, Р = 0; 3 - m = 2500 кг, Р = 60 кН и направлена вверх; 4 - m = 2500 кг, Р = 25 кН и направлена вниз

значительное влияние (рис. 5.10, •). Действие сжимающей технологической нагрузки несколько повышает собственную частоту колебаний моноопоры, нагруженной буровыми механизмами, а действие растягивающей - понижает.

Обращение собственной частоты колебаний в ноль соответствует статической потере устойчивости моноопоры. В разделе 4.6 установлено, что с точки зрения устойчивости моноопоры наихудшие условия ее нагружения возникают во время действия растягивающей технологической силы. Это наглядно иллюстрируется и кривой 3 на рис. 5.10,

Сравнительная оценка характера зависимостей на рис. 5.1, а; 5.4 и 5.10, б убеждает, что еще до потери статической устойчивости углы поворота и напряжения в моноопоре достигают таких значений, при которых ее дальнейшая эксплуатация становится невозможной. Поэтому расчеты моноопор на статическую устойчивость можно не выполнять.

Влияние геометрии сечения моноопоры. Комплектность и характеристики используемого для бурения оборудования на практике варьировать сложно. Поэтому повышение статической прочности цилиндрических моноопор, эксплуатируемых

вне плавоснования, преимущественно реализуется за счет изменения характеристик сечения труб.

Следует, однако, принимать во внимание, что изменение геометрии моноопоры влечет за собой изменение ее первой собственной частоты. В результате одновременно с улучшением статического напряженного состояния может иметь место сближение частоты собственных колебаний моноопоры с частотой приложения равнодействующей волнового давления, вплоть до резонанса. Эксплуатация моноопоры в резонансных режимах приводит к значительному ухудшению ее динамического напряженного состояния и может свести на нет результаты мероприятий по улучшению статических напряжений в ней. Покажем это на следующем примере.

Наихудшее напряженное состояние в моноопоре диаметром 0,219 м с расчетной высотой L = 18 м, эксплуатируемой на акватории глубиной 14 м, возникает при ее нагружении растягивающей технологической силой Р = 60 кН. При высоте волны h = 1,5 м в опасном сечении моноопоры статические напряжения составляют около 400 МПа. Первая собственная частота р рассматриваемого моноопорного основания составляет 0,52 рад/с. Поэтому при работе в условиях высоты волн от 0,25 до 1,5 м, когда частота ю волновой нагрузки располагается соответственно в диапазоне от 3,5 до 1,4 рад/с, резонансные режимы не возникают. Более того, поскольку максимальное значение отношения ю/р > 1,4, то согласно сделанным в разделе 4.5 выводам волновую нагрузку можно считать квазистатической и динамические эффекты, возникающие при колебаниях моноопоры, не рассматривать.

Стремление улучшить напряженное состояние моноопоры за счет увеличения ее диаметра с 0,219 до 0,299 м приведет к следующему. Максимальное статическое напряжение действительно существенно уменьшится и при высоте волны 1,5 м составит около 56 МПа. Первая собственная частота моноопоры возрастет до значения 1,6 рад/c.

Частоту 1,6 рад/c имеет волновая нагрузка при высоте волны 1,2 м. Поэтому при эксплуатации моноопоры диаметром 0,299 м возможно возникновение резонансных эффектов. Исследуем напряженное состояние моноопоры диаметром 0,299 м в условиях резонанса.

Рис. 5.11. Зависимость максимальных напряжений статического а^с (а) и динамического а^д (б) и коэффициента динамичности К_д (в) от высоты волны h и диаметра D моноопоры высотой 18 м, нагруженной силой тяжести буровых механизмов Р1 = = 24,5 кН и направленной вверх технологической силой Р = 60 кН: 1 - D = 0,219 м; 2 - D = 0,299 м

Вместе с тем, если использовать моноопору диаметром 0,245 м, то максимальное статическое напряжение в ней для

рассматриваемых условий нагружения при высоте волн 1,5 м составит около 130 МПа. Собственная частота колебаний э той моноопоры равна 0,94 рад/c. В диапазоне волн от 0,25 до 1,5 м для нее выполняется условие ш /р > 1,4. Поэтому динамический характер волновой нагрузки при расчете моноопоры диаметром 0,245 м можно не учитывать и при анализе ее напряженного состояния допустимо ограничиться результатами статического решения. В результате увеличения диаметра моноопоры с 0,219 м до 0,245 м (менее чем на 12 %) ее прочность возрастает более, чем в 3 раза.

Эффективность использования моноопор различного диаметра из труб промышленного сортамента для условий L = 18 м, Р₁ = 24,5 кН, Р = 60 кН и направлена вверх, h = 0,25^1,5 м проиллюстрирована диаграммой (рис. 5.12). Хорошо видно, что для исследованных условий при расчете моноопор из труб диаметром более 0,245 м необходимо учитывать динамический характер волнового давления. При волнении до 3 баллов для моноопор диаметром 0,299 м и более первая собственная частота колебаний при определенных высотах волн может совпасть с частотой волновой нагрузки. Для этих моноопор существуют резонансные режимы эксплуатации.

Рис. 5.12 Диаграмма максимальных напряжений а в моноопорах разных диаметров высотой 18 м, нагруженных силой тяжести буровых механизмов Р₁ = = 24,5 кН и направ ленной вверх технологической силой Р = 60 кН:

1 - статические а^с; 2 - динамические а^д; цифры со звездочкой - высота морской волны, при которой возникают максимальные значения а

С ростом диаметра моноопоры частота р ее собственных колебаний практически линейно возрастает. Ощутимо возр астает частота р и с увеличением толщины 6 стенки труб моноопоры в случае присутствия на верхнем конце нагрузки (рис. 5.13, а и б). В период отстоя, когда буровые механизмы на моноопоре не установлены и, следовательно, отсутствуют технологические силы, увеличение частоты р с ростом толщины стенки

Рис. 5.13. Зависимость первой частоты ! собственных колебаний моноопоры высотой 18 м от диаметра D и толщины стенки 6:

а - масса буровых механизмов m = 2500 кг, технологическая сила Р = 60 кН и нап р авленна вверх; • - m = 2500 кг, Р = 25 кН и направлена вниз; в - m = 0, Р = 0; 1 - 6 = 0,008 м; 2 - 6 = = 0, 016 м

пренебрежимо мало, поэтому на рис. 5.13, в приведена зависимость только для 6 = 0,008 м.

Графики на рис. 5.10 и рис. 5.13 убеждают, что вывод о малом влиянии величины и направления технологической силы на частоту собственных колебаний моноопоры и значительном влиянии на нее сил тяжести буровых механизмов справедлив для моноопор любого диаметра. Поэтому для моноопоры, эксплуатируемой вне плавоснования, диапазон глубин акваторий, на которых в период осуществления технологических операций возможно возникновение резонансных режимов, приближенно можно определять, сравнивая частоту волновой нагрузки с частотой колебаний моноопоры, нагруженной только силами собственной тяжести и тяжести установленных на ней буровых механизмов.

Таким образом, при проектировании и оптимизации параметров моноопорного основания по прочности необходимо уделять внимание не только ее статическому напряженному состоянию, но производить проверку рассматриваемых вариантов ее конструкции на возможность возникновения в процессе выполнения технологических операций резонансных режимов.

При расчетах моноопор обычно ограничиваются высотами морских волн, при которых предполагается их эксплуатация: в период бурения h = 0,25+1,5 м; в период отстоя h = 0,25+3,0 м. В диапазоне высот волн от 0,25 до 3 м частота волновой нагрузки ш изменяется от 3,5 до 1 рад/с соответственно.

Оптимальными с точки зрения исключения резонансных режимов являются конструкции моноопор, для которых ш/р > 1,4 (см. рис. 4.4). Таким условиям удовлетворяют те конструкции моноопор, первая собственная частота которых при бурении (нагружении) менее 1 рад/с, а при отстое менее 0,7 рад/с.