Назначение, схемы и устройство

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 системами 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.

Нагрузку на талевый блок Р_Тб определяют как наибольшую нагрузку от веса колонны Р_ки веса крюка:

- статическая нагрузка Р_тб’ = Р_к + G_к ;

- динамическая нагрузка Р”_тб = (Р_к + G_к)(1 + _к / g) ,

где G_K— вес крюка и элеватора со штропами;

_к - ускорение крюка при подъеме;

g — ускорение свободного падения.

Полиспастная система служит для снижения скорости движения крюка и увеличения его подъемной силы за счет снижения скорости ведущей струны каната, наматываемого на барабан. Чем больше число струн каната и шкивов участвует в работе, тем медленнее будет подниматься талевый блок с крюком. Усилия в струнах талевого каната Р_т в состоянии покоя и движения неодинаковые.

При статическом нагружении (состояние покоя)

Р_т = Р_тб’ + G_тб + G_тк , (3)

где: G_тб-вес талевого блока при нижнем положении крюка;

G_тк - вес ²/з длины каната талевой оснастки.

Заменим веса отдельных элементов подвижной части талевой системы их общим весом G_тс = G_тб + G_тк , получим:

Р_т = Р_к.max + G_тс (4)

Р_к.max- максимальная нагрузка на крюке.

Каким бы ни было усилие Р_т, динамическим или статическим, всегда

Р_т = Р₁ + Р₂ + …+ Р_n(5)

где: Р₁, Р₂, Р_n - усилия в несущих струнах полиспаста, находящихся между талевым блоком и кронблоком. Нетрудно показать, что в состоянии покоя эти усилия равны между собой, т. е.

Р₁ = Р₂ = …= Р_n = Р_в = Р_м, (6)

где: Р_в и Р_м — усилия в ведущей и неподвижной струнах каната (рис. 2).

Тогда усилие в любой струне в состоянии покоя

Р_с = Р_т / u_тс, (7)

где: u_тс - число струн каната между талевым блоком и крон-блоком, т. е. кратность полиспаста; Р_т — усилие в струнах талевого каната при статическом нагружении.

_ш - к.п.д. струны шкива.

Усилие в струнах талевой оснастки при подъеме не превышает 10% наибольшего веса бурильной колонны, а при спусках и резком торможении может превышать этот вес в 1,5 раза. При движении талевой системы вследствие трения о шкивы и изгиба каната по шкиву нагрузка на струны каната неодинаковая

Р_вп = Р₁ / _ш , Р₁ = Р₂ / _ш и т.д.

К. п. д. талевой системы _тс зависит от числа шкивов, диаметра каната, степени их изношенности, нагрузки на крюке и др. Для расчетов принимают _ш = 0,96 - 0,97, тогда

_тс = _ш (1 - _ш^u_тс) / u_тс (1 - _ш) (8)

Для практических расчетов можно использовать формулу:

_тс = 1 – 0,02u_тс .

При небольших нагрузках и незагруженном крюке величина _тсзначительно меньше, чем при полной нагрузке.

В период установившегося движения при подъеме натяжение ведущей струны

Р_вп = (Р_к.max + G_тс) / u_{тс тс}(9)

Натяжение рабочих струн при подъеме:

Р_1п = Р_{вп ш} ; Р_2п = Р_{1п ш} ; Р_{i п} = Р_{(i п – 1) ш} (10)

Натяжение неподвижной струны каната при подъеме

Р_мп = Р_{вп тс} .

При спуске натяжение ведущей струны каната в период установившегося движения

Р_{в ус} = (Р_{кд max} + G_тc) _тс / u_тс(11)

где: Р_{кд max}- максимальная нагрузка на крюке при спуске.

Силы трения при подъеме и спуске в расчетах принимают равными.

Скорость ведущей струны каната при подъеме v_B по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать : 20 м/с:

v_в = v_кu_ТС < 20 м/с (v_к — скорость крюка, м/с). (12)

Число шкивов кронблока z_кб всегда на один больше, чем в талевом блоке z_тб , а число струн каната в оснастке четное:

z_кб = z_тб + 1 (13)

Характеристика талевых систем приведена в табл. 1.

Таблица 1

Число шкивов, их размеры и число струн каната в талевой системе, т. е. кратность полиспаста и_ТСопределяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием лебедки, скоростью навивок каната на барабан, числом рядов навивки каната, размерами, прочностью, работоспособностью, типом и стоимостью талевого каната.

Средняя частота вращения барабана лебедки (в об/мин)

n_б.ср = v_в.ср 60 / D_ср (14)

где: D_cp=D_о + D_е) / 2 — средний диаметр навивки каната, м;

D_o=D_б + d_K — минимальный диаметр навивки каната, м;

D_б - диаметр бочки барабана, м;

d_K - диаметр каната, м;

D_e - наибольший диаметр навивки каната, м

D_е = D_б + (2z – 1) d_к , (15)

z— число слоев навивки каната, 0,93 ÷ 0,95 – коэффициент уменьшения диаметра навивки за счет смятия и укладки каната).

Мощность на крюке при подъеме колонн (в кВт)

N_кп = Р_кv_к.ср / 2 или N_кп = Р_кv_{к min} . (16)

где Р_к — наибольшая нагрузка на крюк, МН;

v_к.ср и v_{к min} - средняя и минимальная скорости подъема крюка, м/с.

Мощность на ведущей струне талевого каната

N_вп = N_кп / _тсили N_вп = Р_впv_в.ср / 2 _тс(17)

v_в.ср - средняя скорость ведущей ветви талевого каната).

Канат на барабан можно навивать в несколько слоев по винтовой линии с противоположным направлением в смежных слоях или с параллельной укладкой витков. Лучшая в отношении уменьшения износа каната — параллельная укладка, при которой коэффициент имеет наименьшее значение. При бурении скважин одинаковой глубины в различных условиях на крюк действуют одинаковые нагрузки, но число СПО может отличаться. Если число СПО небольшое, то решающей является прочность каната, а при большом числе СПО — его абразивный усталостный износ. В одном случае можно применить систему с большим числом шкивов и струн каната, но с небольшим его диаметром, в другом случае — канат большого диаметра с высоким сопротивлением разрыву, абразивному и усталостному износу.

Практикой эксплуатации установлено, что целесообразнее уменьшать число шкивов в талевой системе, увеличивать их диаметр и применять прочные канаты большего диаметра с тем, чтобы уменьшить число слоев навивки каната на барабан. Для этого также применяют большие соотношения между диаметрами шкива и каната (до 42 d)и более жесткие, но износостойкие канаты с линейным касанием проволок в пряди и металлическим сердечником, обеспечивающие меньшее поперечное смятие каната.

При вращении барабана лебедки, на котором закреплен ведущий конец каната, последний будет наматываться на барабан и заставит талевый блок подниматься вверх по направлению к кронблоку. Чем большее число шкивов системы участвует в работе (вращается), тем медленнее будет подниматься блок и тем меньше будет натяжение ведущего конца каната, например, если на подъемном крюке подвешена колонна весом G_K = 1,5 МН, а талевая система состоит из талевого блока с пятью шкивами и кронблока с шестью шкивами (в том числе один невращающийся, через который проходит неподвижно закрепленный конец каната), натяжение ведущего конца каната

Р_вп=(Р_к+С_тс)/2 z_{тб тс}(18)

где Р_к— нагрузка на крюке, МН; G_TC — вес подвижной части талевой системы, МН; z_тб — число шкивов талевого блока; _тс= 1 - 0,02u_тс - к. п. д. талевой системы.

Если Р_к=1,5; G_TC=0,08; z_тб = 5; _тс=0,80, , то

Р_вп = (1,5+0,08) / 2*5*0,8 = 0,197 МН.

Следовательно, при десятиструнной оснастке мы выигрываем в силе почти 8 раз (1,5:0,197). Однако одновременно с этим скорость подъема труб уменьшается в 10 раз. Талевая система позволяет при принятых в буровых установках скоростях подъема использовать канаты диаметром от 22 до 44 мм при любой глубине бурения.

Кронблоки и крюкоблоки классифицируются по трем основным параметрам: максимально допустимой нагрузке, диаметру шкивов по дну желоба и числу шкивов. Эти параметры часто используются в качестве их шифра.

Основные присоединительные размеры кронблоков и крюко-блоков (в составе буровой установки): диаметр шкивов по дну желоба; размер профиля желоба шкивов; число шкивов; размеры рамы для крепления кронблока к вышке.

Стальные талевые канаты.