Монтаж и эксплуатация БУ-3000БД

Различают канаты с одинаковым или различным диаметром проволок в прядях типа ЛК-0 (рис. 12.2,а) и типа ТЛК-0 (рис. 12.2,г) диаметр проволок в слоях одинаков, в пряди типа ЛК-Р (рис. 12.2д) наружный слой имеет проволоки разного диаметра, в пряди типа ЛК-РО (рис. 12.2, б) расположены слои с проволоками одинакового диаметра и с проволоками разных диметров.

 

Рис 12.2. Стальные канаты. А-типа ЛК-0 конструкции 6х19(1+9+9)+1ос; б - типа ЛК-РО конструкции 6ъ36(1+7+7/7+14)+1ом; в - типа ТК конструкции 6х19(1+6+12)+1ос; г - типа ТЛК-0 конструкции 6х37(1+6+15+15)+1ос; д - типа ЛК-Р конструкции 6х19(1+6+6/6)+1ос; е - свивка канатов; 1 - правая односторонняя; 2 - левая крестовая

Канаты при работе подвергаются сложной нагрузке: растяжению, изгибу, вибрации, контактным напряжениям, поэтому  они должны иметь высокую прочность. Надежность и долговечность каната во многом определяется соотношением диаметра барабана лебедки (шкива) D_б и диаметром каната d_к.

В соответствии с принятыми  нормами для установок геологоразведочного  бурения D_б≥18 d_к, а для установок с большим объемом спуско-подъемных операций D_б=(32-42)d_к.

При D_б/d_к>25 рекомендуются более жесткие канаты, с большим диметром проволок в пряди, а при D_б/d_к<25 рекомендуются гибкие канаты.

Для геологоразведочных буровых  установок, согласно правилам Госгортехнадзора, диаметр талевого каната выбирают в  соответствии с расчетом на статическую  прочность по формуле:

Р_р=к_з.пР,       (12.11)

где Р_р разрывное усилие каната, к_з.п≥2,5 - коэффициент запаса прочности, (к_з.п≥3 - при выполнении спускоподъемных операций с бурильными колоннами нефтяного сортамента); Р - максимальное усилие, развиваемое лебедкой на минимальной скорости (максимальное натяжение струны каната) кН:

           (12.12)

где N - номинальная мощность двигателя, Вт; λ - коэффициент перегрузки двигателя, для асинхронных электродвигателей  λ= 1,8÷2,2, для двигателей внутреннею сгорания λ= 1,1; η=η_зiη_б - к.п.д. передачи от двигателя до барабана лебедки; η_зi=0,98 - к.п.д. зубчатой передачи; i - число передач в кинематической цепи; η_б=0,97 - к.п.д. барабана; ν_min - минимальная скорость навивки каната на барабан, м/с. 
Суммарное напряжение а, (МПа) в выбранном канате рассчитывают по формуле

           (12.12а)

где σ_р и σ_из - предел прочности материала соответственно при растяжении и изгибе, МПа; S - площадь всех проволок в канате, см2; с=0,35÷0,75 - коэффициент, учитывающий напряжение кручения в проволоках, трение между отдельными проволоками и условия работы каната; Е=2,1·10¹¹мПа - модуль продольной упругости материала каната; Q - вес бурового снаряда, Н; δ_п - диаметр проволоки каната, мм; D_ш диаметр шкива, мм.

Для упрощения расчета  Р при бурении на нефть и  газ используется также соотношение

Р=Р_тбk_u         (12.13)

где Р_тб - нафузка на талевый блок; k_u - коэффициент, зависящий от оснастки, значения которого для различной талевой оснастки приведены ниже.

Для применения в качестве талевых на буровых установках нефтегазодобывающих  предприятий рекомендуются следующие  конструкции канатов:

• 6х31(1+6+6/6+12)+1о.с, ГОСТ 16853-88 (с органическим сердечником);
• 6x31 (1+6+6/6+12)+7х7(1+6)+1м.с., ГОСТ 16853-88 (с металлическим сердечником);
• 6х31(1+6+6/6+12)+1о.с, ТУ 14-4-1767-94 (с органическим сердечником);
• 6x31(1+6+6/6+12)+3х19(1+6+6/6)+3о.с., ТУ 14-4-1767-94 (с комбинированным сердечником).

Отличительной особенностью канатов, изготавливаемых по техническим  условиям ТУ 14-4-1767-94, (рис.12.3) является более рациональное соотношение диаметров проволок в наружных прядях канатов с органическим (рис. 12.3,а) и комбинированным (рис. 12.3, б) сердечниками. Рис. 12.3 Стальные канаты, изготовляемые  по ТУ14-4-1767-94

При бурении скважин до глубины 3000 м рекомендуются к  применению канаты всех четырех конструкций  с предпочтительным применением  канатов с органическим сердечником. При бурении скважин более 3000 м рекомендуется применение канатов с металлическими и комбинированными сердечниками, при этом более предпочтительны Канаты с металлическим сердечником и органическим заполнителем, изготавливаемые по ТУ 14-4-1767-94.

Талевые канаты должны соответствовать  паспортным данным талевого блока, кронблока  и буровой лебедки.

Диаметр шкива по канавке  принимают в зависимости от диаметра каната. Для установок геологоразведочного  бурения D≥d_к, для тяжелых установок с большим объемом спускоподъемных работ D=(32÷42)d_k.

Шкивы талевых блоков и  кронблоков имеют одинаковую конструкцию. Профиль канавки шкива показан  на рис 12.4. Глубина канавки Н=1,75dк, ее радиус Rк=0,5dк+(0,02÷0,07),dк     (12.14) что исключает заклинивание и вызванный этим износ каната. Боковые поверхности канавки  должны быть касательными к дуге 5/6 π. ограничивающей дно канавки. Рис. 12.4. Профиль  канавки шкива

Диаметр шкива является одним  из главных факторов, определяющих долговечность каната. С увеличение диаметра шкива уменьшается скольжение и износ проволок при изгибе каната, значение напряжения изгиба σ_и проволок и величина контактного давления р между канатом и шкивом

σ_и=Е_кδ/D_ш, 
p=2P/d_к D_ш                    (12.15)

где Е_к=1,3·10¹¹Па модуль упругости каната; δ - диаметр проволок, м; D_ш - диаметр шкива,м; Р - натяжение каната, кН; d_к - номинальный диаметр каната.

Пример 12.4. Выбрать талевый канат для следующих условий: грузоподъемность лебедки станки ЗИФ-1200МР, Р_л = 53955 Н; диаметр барабана лебедки D_б=0,43 м;

Решение. Примем к_з.п=3, тогда допустимое разрывное усилие талевого каната по формуле (12.11)

Р_p=3·53955=161864Н≈162 кН.

Пользуясь табл. 12.1, выбираем талевый канат конструкции 6х19(1+6+12)+1о.с. типа ТК-0 диаметром 19,5 мм с разрывным усилием Рр= 173 кН, изготовленный из стали σ_в.р = 1570 МПа: диаметр проволоки центральной δ_п= 1,3 мм, а в слоях 1,2 мм.

Пример 12.5. Выбрать талевый канат для буровой установки с двигателем мощностью N=22 кВт и перегрузочной способностью λ=2; минимальная скорость навивки каната на барабан V_min=0,5 м/с.

Решение: Приняв к.п.д. передачи от двигателя до барабана лебедки η=0,9 найдем максимальное усилие развиваемое лебедкой [см.формулу (12.12)]

Р_л(max)=(22·10³·20,9)/0,5=79,2 кН.

Находим P_р, приняв к_з.п=2,5

Рр≥2,5·79,2≥190 кН.

Выбираем канат диаметром 21 мм двойной свивки типа ТК конструкции 6х19(1+6+12)+1о.с. с разрывным усилием  Р_р=202,5 кН.

 

 

При небольших нагрузках  на крюке спускоподъемные операции выполняют на прямом канате (рис.12.1, а). В геологоразведочном бурении применяют талевые системы трех типов:

 

• с креплением свободного конца каната к основанию буровой установки или якорю (талевая система с неподвижным концом каната), (рис. 12.1, б,в),

 

• кронблоку мачты или вышки (рис. 12.1, г),

 

• к талевому блоку (рис. 12.1, д).

 

 

 

Рис. 12.1. Схемы  талевых систем

       Талевая система с неподвижным концом каната (симметричная талевая система) обеспечивает более равномерное распределение нагрузки на опоры вышки или мачты, а также позволяет устанавливать на неподвижной ветви талевого каната указатель веса инструмента и нагрузки на породоразрушающий инструмент.

При подвижном крюке ветви  талевого каната равномерно нагружены  силой

 

        (12.1)

 

где Q - нагрузка на крюке (весом  талевого блока можно пренебречь, так как при геологоразведочном бурении он незначительный); uтс - число  струн талевой системы, то есть число  подвижных ветвей каната за исключением  ветви, наматываемой на барабан лебедки.

В процессе бурения вследствие трения и изгиба каната усилия в  ветвях полиспаста Р₁, Р₂......Р_н распределяются неравномерно.

 

Поэтому нагрузка на крюке

       (12.2)

Натяжение ведущей ветви

           (12.3)

Усилие в неподвижной  ветви каната

             (12.4)

В выражениях (12.1)-(12.3) η - к.п.д. одного шкива; для шкивов на подшипниках  качения η=0,98.

Коэффициент полезного действия талевой системы

         (12.5)

При определении числа  струн талевой оснастки исходят  из набольшей нагрузки на крюк Q. Ее определяют при подъеме наиболее тяжелого бурильного инструмента или  наиболее тяжелой колонны обсадных труб.

         (12.6)

где Р_л - натяжение ведущей ветви каната, соответствуюшее номинальной фузоподъемности лебедки; λ₁ - коэффициент длительной перегрузки двигателя; для электродвигателей λ₁=1,3; для двигателей внутреннего сгорания λ₁ =1,10÷1,15.

В геологоразведочном бурении  применяются в основном следующие  оснастки талевой системы: 0x1; 1x2 и 2x3 (см.рис. 12.1 а,б,в).

Коэффициент полезного действия для них составит:

 

uт.с	1	2	3	4
ηт.с	0,96-0,97	0,95-0,93	0,92-0,90	0,90-0,88

 

При практических расчетах при эксплуатации буровых установок  на нефть и газ можно воспользоваться  выражением

η_т.с=1-0,02u_т.с        (12.7)

При небольших нагрузках  и незагруженном крюке величина η_т.с, значительно меньше, чем при полной нагрузке.

Полученное по формуле (12.6) значение округляется до целого числа  в большую сторону.

Общее число ветвей талевого каната

u'_т.с=u_т.с+2;              (12.8)

при симметричной оснастке

u'_т.с= u_т.с+1                 (12.9)

Глубину скважины до которой  спускоподъемные операции можно  проводить на прямом канате (оснастка 0х1) рассчитывают по формуле

 

               (12.10)

 

где к_пр - коэффициент, учитывающий влияние всех тех факторов, которые вызывают дополнительные сопротивления при подъеме бурового инструмента из скважины; q - масса 1 м бурильной колонны в сборе; ρ - плотность очистного агента, кг/м3; ρ_м - плотность материала труб, кг/м3 (для стали ρ_м=7,85·103 кг/м3, для сплава Д16Т ρ_м=2,8·103 кг/м3); Θ_ср=(Θ_н+Θ_к)/2; Θ_н и Θ_к - начальный и конечный зенитные утлы скважины; μ - коэффициент трения бурильных труб о породу, значения которого могут быть ориентировочно приняты по следующим данным:

Сухая скважина...........................0,3-0,4 
Вода...........................................   0,2-0,4 
Эмульсия..................................... 0,12-0,2

В случае применения легкосплавных  бурильных труб коэффициент трения µ следует уменьшить приблизительно на 10%.

Ниже приведены опытные  значения коэффициента к_пр  для различных геолого-технических условий бурения:

 

• вертикально заданные скважины, пробуренные в крепких породах при небольшой кривизне скважины - 1,2;

 

• скважина диаметром D≥76 мм, пробуренные в крепких породах при средней интенсивности искривления J_Θ=0,02 град/м - 1,3;

 

• скважины, пройденные в мягких породах, склонных к набуханию - 1,4;

 

 

• скважины, пробуренные в крепких породах под углом 80-75 градусов к горизонту, при J_Θ=0.03÷0,04 - 1,6;

 

• сильно искривленные скважины малого диаметра - 2,0.

 

 

Пример 12.1. Определить натяжение в ведущей (Р_л) и неподвижной (Р_н) ветвях талевого каната при подъеме инструмента весом Q=500к11 и к.п.д талевой системы, если оснастка 4x5, т.е. u_т.с=8.

 

Решение. При подъеме бурового инструмента натяжение ведущей ветви, определяется из выражения (12.3).

 

В неподвижной ветви

 

Коэффициент полезного действия талевой системы [см.формулу (12.5)]

 

 

Пример 12.2. На подъемном крюке подвешена бурильная колонна весом Q=1,5 МН; вес подвижной части талевой системы Q_т.с=0,08МН. 
Найти: а) натяжение ведущего конца каната при оснастке 5x6; б) величину выигрыша в силе при данной оснастке. 
Решение: находим к.п.д. талевой системы из выражения (12.7)

η =1-0,02·10=0,80.

Тогда максимальное натяжение  ведущей струны составит

 

 

Следовательно при 10-ти струнной оснастке мы выигрываем в силе

 

 т.е почти в 8 раз

 

 

 

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

1.1 Выбор оборудования

В процессе проводки скважины подъемная система выполняет  различные операции. В одном случае она служит для проведения СПО  с целью замены изношенного долота, спуска, подъема и удержания на весу бурильных колонн при отборе керна, ловильных или других работах  в скважине, а также для спуска обсадных труб. В других случаях  обеспечивает создание на крюке необходимого усилия для извлечения из скважины прихваченной бурильной колонны  или при авариях с ней. Для  обеспечения высокой эффективности  при этих разнообразных работах  подъемная система имеет два  вида скоростей подъемного крюка: техническую  для СПО и технологические  для остальных операций.

В связи с изменением веса бурильной колонны при подъеме  для обеспечения минимума затрат времени подъемная система должна обладать способностью изменять скорости подъема в соответствии с нагрузкой. Она также служит для удержания  бурильной колонны, спущенной в  скважину, в процессе бурения. Подъемная  система установки (рис. 1) представляет собой полиспастный механизм, состоящий  из кронблока 4, талевого (подвижного) блока 2, стального каната 3, являющегося  гибкой связью между буровой лебедкой 6 и механизмом 7 крепления неподвижного конца каната. Кронблок 4 устанавливается  на верхней площадке буровой вышки 5. Подвижный конец А каната 3 крепится к барабану лебедки 6, а неподвижный  конец Б – через приспособление 7 к основанию вышки. К талевому блоку присоединяется крюк 1, на котором  подвешивается на штропах элеватор для труб или вертлюг. В настоящее  время талевый блок и подъемный  крюк во многих случаях объединяют в один механизм – крюкоблок.