Дослідження параметрів підйомного комплексу мобільних установок для буріння, ремонту і обслуговування свердловин

В підрозділах 6.2 - 6.4 визначено допустиме навантаження на підйомний гак, умовна глибина буріння та потужність привода підйомного комплексу мобільних установок для буріння і ремонту свердловин. Ці головні класифікаційні параметри є необхідними, але недостатніми для проектування високопродуктивних підйомних комплексів, що відповідають сучасному світовому технічному рівню.

З одного боку, очевидне існування нагальної потреби України в комплектації парку мобільними установками, з іншого, доведено недоцільність застосування нормативів стандарту [2] в проектуванні нових установок і неможливість використання серійних установок, що нині виготовляються в Росії, як прототипів. Два зазначених чинники надають проблемі визначення параметрів підйомного комплексу актуальності. Розв’язанню цієї проблеми присвячене описане нижче дослідження.

Об’єктом дослідження обрано параметри підйомних комплексів мобільних установок з наступного переліку: кратність оснастки талевої системи u_тс, діаметр талевого каната d_к, діаметр шківів талевої системи D_кш, діаметр і довжина підйомного барабана бурової лебідки D_б і L_б, розміри шківів і ширина колодок головного механічного гальма підйомного вала D_гш, B_гк і площа S його контактної поверхні, швидкості підйому гака V_г, діапазон регулювання швидкісного режиму R. Метою дослідження обрано виявлення залежностей перелічених показників від параметрів призначення. Близькі за змістом дослідження проведено НДІВажМаш Уралмашзаводу [12], але їх виконано за значно вужчим переліком показників, на набагато меншій та нині застарілій інформаційній базі та виключно для установок експлуатаційного та глибокого розвідувального буріння.

З двох параметрів призначення – умовної глибини буріння L_ум і допустимого навантаження на підйомний гак Р_гдоп перший призначається розробниками і виробниками довільним чином, не завжди об’єктивно і адекватно [4], в кращому випадку його пов’язано з місткістю підсвічників. На відміну від L_ум чисельне значення показника Р_гдоп завжди підтверджується розрахунками на міцність та витривалість усіх компонентів підйомного комплексу, що надає йому об’єктивності та обгрунтованості. З викладеного випливає доцільність встановлення залежностей названих параметрів u_тс, d_к, D_кш, D_б, L_б, D_гш, B_гк, S, V_г і R від допустимого навантаження на підйомний гак Р_гдоп, як таких, що мають більшу наукову достовірність та незаперечну практичну застосовність при проектуванні.

Переважаюча більшість світових виробників мобільних установок в стандартній комплектації пропонують однобарабанні бурові лебідки з однією передачею на підйомний вал, вузли тартальних барабанів постачаються на замовлення, конструкція лебідок допускає оснащення тартальними барабанами без переробки, двобарабанні лебідки складають невелику частку в номенклатурі виробництва. Більшість моделей бурових лебідок комплектується підйомними барабанами, оснащеними рифленими накладками Lebus для покращення умов намотування талевого каната.

При проектуванні підйомних комплексів розміри підйомного барабана бурової лебідки – його діаметр D_б і довжина L_б призначаються, виходячи з численних умов:

· достатньої канатомісткості по канату діаметром d_к при вибраних кратності оснастки u_тс, довжині свічки l_св і числі шарів намотування z_ш каната на барабан;

· досягнення регламентованої швидкості підйому гака – намотування талевого каната;

· обмеження кута девіації тягової вітки при заданій висоті вишки;

· обмеження обертового моменту на підйомному валі.

Вплив названих чинників неадитивний, у частини з них – суперечливий. Збільшення діаметра барабана D_б покращує умови намотування каната, зменшуючи число його шарів та напруження згину, одночасно погіршуючи динаміку через збільшення моменту інерції та необхідного гальмівного моменту. Збільшена довжина барабана L_б покращує умови намотування каната через зменшення числа шарів і погіршує їх через зростання осьової складової реакції барабана у його реборд. Розв’язок багатофакторної задачі оптимізації розмірів барабана аналітичним шляхом ускладнюється невизначеністю критерію оптимуму і обмежень зони його пошуку, статистичний метод дає простий придатний до практичного використання результат. Відшукані ним залежності діаметра і довжини барабана від допустимого навантаження на гак мають такий вигляд (|D_б| = |L_б|= мм):

D_б = [15,6 + 0,17×(Р_гдоп)^0,5]², (6.13)

L_б = 923 + 3,59×10^-5× Р_гдоп², (6.14)

В рівняннях (6.13, 6.14) і далі всюди |Р_гдоп| = кН:

Графіки функцій (6.13, 6.14) наведено на рис.А.6 (додаток А), який надає можливість визначення показників D_б, L_б графічним методом для довільних значень Р_гдоп. Чисельні значення D_б, L_б, розраховані за рівняннями (6.13, 6.14), вміщено в таблицю 2.

Діаметр талевого каната d_к визначається розрахунком за заданим допустимим навантаженням на підйомний гак Р_гдоп і вибраною кратністю оснастки талевої системи u_тс, виходячи зі стандартизованої агрегатної міцності каната і відношення D_кш /d_к, де D_кш - діаметр канатних шківів кронблока і талевого блока. Однак доведена нижче суб’єктивність вибору u_тс ускладнює розв’язання задачі розрахунковим шляхом, тому її розв’язано методами статистичного аналізу, з їх застосуванням встановлено, що залежність d_к = f(Р_гдоп) апроксимується рівнянням (6.15), в якому |d_к| = мм:

d_к = 16.2 + 0,3×(Р_гдоп)^0,5, (6.15)

Графік віднайденої залежності (6.15) наведено на рис.А.7 (додаток А), там же для порівняння відображено вимоги стандартів [1, 2]. Діаметр талевого каната d_к не може мати чисельних значень, відмінних від встановлених чинним в Україні стандартом [13] або відповідними стандартами інших країн-виробників (API St.9A). Використання виготовлених на спецзамовлення талевих канатів із позастандартними параметрами є економічно недоцільним. Рекомендовані діаметри канатів d_к, обчислені для установок усіх класів за рівнянням (6.15) із врахуванням їх стандартних чисельних значень, вміщено в таблицю 6.1.

Збільшення кратності оснастки u_тс талевої системи, з одного боку, дозволяє використовувати талеві канати, канатні шківи, підйомний барабан меншого діаметра і тим покращити динаміку підйомного комплексу, з іншого боку – збільшує потрібну довжину каната, число його перегинів на канатних шківах, зменшує довговічність каната. Наведений перелік переваг і недоліків дає підстави припускати існування оптимуму, що характеризується критерієм мінімальної витрати каната на одиницю виконаної ним роботи. Другим припущенням є те, що довготривалий досвід проектування, виготовлення та експлуатації мобільних установок сучасних серійних моделей був шляхом наближення до такого оптимуму, віддзеркаленням якого є середньостатистичний рівень. Такий підхід є спільним для усіх розглянутих нижче параметрів. Математичною обробкою двомірної вибірки Р_гдоп, u_тс встановлено, що статистична залежність u_тс = f(Р_гдоп) найкращим чином із найменшим середньоквадратичним відхиленням апроксимується рівнянням (6.16):

u_тс = 4,14×ln(Р_гдоп) – 21,7, (6.16)

Графік функції (6.16) побудовано на рис.А.8 (додаток А), там же для порівняння представлено нормативні вимоги, регламентовані стандартами [1, 2]. З рис.А.8 є очевидною значна дисперсія значень Р_гдоп при u_тс = item, відносні відхилення сягають 200%, що вказує на широку міжкласову уніфікацію, відсутність єдиного підходу до розв’язку проблем проектування підйомних комплексів та підтверджує актуальність проводжуваного дослідження. Кратність оснастки талевої системи u_тс за визначенням може мати тільки цілі парні чисельні значення, їх обчислено за рівнянням (6.16), заокруглено за названою умовою та вміщено до таблиці 6.1.

Діаметр D_кш канатних шківів талевої системи, як і розглянуті вище параметри, є об’єктом альтернативного вибору та оптимізації. Збільшення D_кш зменшує напруження згину в талевих канатах, завдяки чому зростає їх витривалість, але при цьому зростає момент інерції шківа, що спричинює прискорене спрацювання дротин зовнішнього шару сталок каната. Заслуговує на увагу той факт, що, жертвуючи взаємозамінністю та уніфікацією, більшість виробників мобільних установок покращує умови роботи талевих канатів шляхом збільшення діаметра „швидкого” шківа, через який проходить тягова вітка каната з підйомного барабана лебідки, при меншому діаметрі решти (проміжних) шківів. Прийнятність та ефективність такого конструктивного рішення для умов власного виробництва і експлуатації мобільних установок в Україні з’ясується з часом.

Дослідження проведено окремо для „швидких” та проміжних шківів. Вже при перегляді вихідної інформації виявлено, що варіаційний ряд паспортних чисельних значень D_кш набагато ширший від нормативного, встановленого ГОСТ 17326-71, що вимагає його перегляду для реалізації викладених нижче рекомендацій.

Встановлено, що залежності D_кш = f(Р_гдоп) для „швидких” і проміжних канатних шківів талевих систем описуються рівняннями (6.17, 6.18) відповідно (|D_кш| = мм):

D_кш = 230,7·ln(Р_гдоп) – 785, (6.17)

D_кш = (19,4 + 0,21·(Р_гдоп)^0,5)². (6.18)

Графіки функцій (6.17, 6.18) зображено на рис.А.9 (додаток А), заокруглені рекомендовані чисельні значення D_кш, які відповідають середньостатистичному рівню для установок усіх класів, наведено в табл.6.1.

Вище відзначено вплив розмірів D_кш і D_б на довговічність талевого каната діаметром d_к. Дані таблиці 6.1, що віддзеркалюють світовий досвід, дають можливість встановити наступні межі: 25,4≤D_кш /d_к ≤30,3 і 30,4 ≤ D_кш /d_к ≤ 33,4 для проміжних і „швидких” шківів кронблока відповідно; 16,8 ≤ D_б /d_к ≤ 19,8 – для підйомного барабана бурової лебідки. Наведені співвідношення суттєво менші, ніж реалізовані у вітчизняній практиці, з чого слід зробити висновок стосовно необхідності оснащення мобільних установок власного виробництва гнучкішими, ніж передбачено стандартом [13], талевими канатами, наприклад, типу „power-steel”.

Головні механічні фрикційні гальма бурових лебідок є найбільш відповідальним і найменш довговічним їх вузлом. Переважаючу більшість лебідок в мобільних установках оснащено барабанними стрічково-колодковими або стрічковими гальмами з досконалою системою керування, яка дозволяє реалізувати контакт колодок зі шківами на дузі до 330°. Гальма охолоджуються водою: в лебідках невеликої потужності (до 400 кВт) – розприскуванням, в більш потужних – циркуляцією. Дискові гальма підйомного і тартального барабанів виявлено лише в лебідках двох моделей. Хоча переваги дискових гальм дозволяють прогнозувати перспективне оснащення ними усіх лебідок, наявна у авторів інформація є недостатньо репрезентативною і тому унеможливлює опрацювання обгрунтованих рекомендацій стосовно їх параметрів. Для барабанних гальм віднайдено залежності діаметра гальмівних шківів D_гш, ширини гальмівних колодок B_гк і площі гальмівної поверхні S від допустимого навантаження на підйомний гак Р_гдоп, які апроксимуються рівняннями (6.19 - 6.21) відповідно (|D_гш| = =|B_гк| = мм, |S| = м²):

D_гш = 166×ln (Р_гдоп) - 96,3, (6.19);

B_гк = 326,1 - 54360 / Р_гдоп, (6.20);

S = 0,608×ln (Р_гдоп) - 2,57, (6.21)

Графіки функцій (6.19 - 6.21) наведено на рис.А.10, А.11, розраховані за ними чисельні значення D_гш, B_гк і S містяться в таблиці 6.1.

Бурові лебідки оснащуються малогабаритними допоміжними гідродинамічними гальмами однороторної (серії SR) або рідше – двороторної (серії DR) конструкції з роторами активним діаметром до 460 мм. Вал ротора гідродинамічного гальма з’єднується з барабанним валом лебідки ланцюговою передачею-мультиплікатором, укомплектованою оперативною фрикційною муфтою. Така компоновка суттєво знижує матеріаломісткість і забезпечує енергозбереження при підніманні незавантаженого гака.

Таблиця 6.1 – Рекомендовані значення параметрів підйомного комплексу мобільних установок для буріння, ремонту і обслуговування свердловин

Показники та одиниці їх виміру	Чисельні значення показників по класах установок
1 Кратність оснастки uтс
2 Діаметр каната dк, мм			26*)			29*)	29*)
3 Діаметр „швидких” канатних шківів Dкш, мм
4 Діаметр проміжних канатних шківів Dкш, мм
5 Діаметр барабана Dб, мм
6 Довжина барабана Lб, мм
7 Діаметр шківів гальма Dгш, мм
8 Ширина гальмівних колодок Bгк, мм
9 Площа поверхні гальма S, м2	1,30	1,50	1,60	1,80	1,90	2,00	2,05	2,20	2,35

Примітка. Канати діаметрів d_к, не передбачених стандартом [13], відмічено знаком ^*).

При невеликих обсягах виробництва мобільних установок, які можна передбачати в Україні в найближчій перспективі, з метою зниження собівартості продукції вміщені в таблиці 6.1 рекомендації слід відкоригувати, запровадивши ширшу міжкласову уніфікацію та скоротивши номенклатуру типорозмірів підйомних барабанів, канатних і гальмівних шківів.

Підйомні комплекси більшості мобільних установок, незважаючи на порівняно невеликі виконувані ними обсяги роботи на СПО завдяки використанню високоякісного породоруйнівного інструменту, мають вельми розвинену кінематику, їх тягові характеристики наближаються до ідеальних гіперболічних. Такої досконалості досягнуто завдяки гідромеханічним передачам, що містять в своєму складі комплексний турботрансформатор і п’яти- шестиступеневу зубчасту коробку змінних передач з однією передачею реверсу. Покращене використання встановленої потужності привода підйомного комплексу та підвищення продуктивності останнього на СПО досягається завдяки системі автоматичного вибору передавального відношення гідромеханічної передачі у функції від навантаження, прикладеного до підйомного гака. Виявлені за паспортними даними чисельні значення мінімальної швидкості підйому гака V_гмін= 0,10 ÷ 0,20 м/с цілком задовольняють вимогам стандарту [1], стандарт [2] цього параметра не регламентує. Максимальні швидкості підйому гака V_гмакс суттєво вищі встановлених стандартом [1] і знаходяться в діапазоні 1,65 £ V_гмін £ 2,0 м/с, лише в установках поодиноких моделей зустрічаються значення V_гмакс = 1,4 м/с. Таким чином, діапазон регулювання швидкісного режиму підйомного комплексу мобільних установок в дослідженій сукупності моделей має межі області варіації 12,2 £ R = V_гмакс / V_гмін £ 18,5.

За результатами описаних вище та проведених раніше досліджень даються наступні рекомендації стосовно параметрів лебідкового блока мобільної установки вантажопідйомністю 1470 кН для буріння, ремонту і обслуговування свердловин:

· умовна глибина буріння трубами діаметром 114,3 мм (ємність магазинів та підсвічників) - L_ум £ 2850 м;

· потужність на вхідному валі підйомного комплексу N_бл = 550 кВт і N_бл = 750 кВт для середньостатистичного і сучасного світового технічного рівня відповідно;

· конструктивна висота щогли H_к = 35 м;

· кратність оснастки талевої системи u_тс = 8;

· діаметр талевого каната d_к = 28 мм;

· діаметр канатних шківів: „швидкого” шківа кронблока - D_кш = 900 мм, решти шківів кронблока і гакоблока - D_кш = 750 мм;

· діаметр підйомного барабана бурової лебідки D_б = 490 мм, довжина L_б = 1000 мм;

· діаметр гальмівних шківів головного механічного гальма підйомного вала бурової лебідки D_гш = 1115 мм; ширина гальмівних колодок - B_гк = 290 мм, площа робочої поверхні S = =1,85 м², кут обхвату гальмівних шківів ≈ 330°, водяне циркуляційне охолодження;

· число дискретних швидкостей підйому гака 5£ Z_v £ 6, діапазон регулювання швидкісного режиму підйомного комплексу R ≥ 14;

· маса лебідкового блоку в стандартній комплектації виробника М £ 58100 кг при середньостатистичному і М £ 46000 кг при сучасному світовому технічному рівні;

· межі лімітної ціни при параметрах на середньостатистичному технічному рівні: від 350 до 580 тис. US $ в залежності від комплектації (див. нижче).

Проведене дослідження не можна вважати цілком завершеним, оскільки для повного розв’язання проблеми безсумнівний інтерес являє собою вартість установок. На жаль, вихідні дані для аналізу вартості доступні лише для продукції країн СНД [8], інші виробники розглядають їх, як об’єкт комерційної таємниці та повідомляють їх на переговорах з укладення контракту на закупівлю. З вказаної причини провести повний функціонально-вартісний аналіз мобільних установок виявилося неможливим, хоча авторам вдалося встановити деякі орієнтовні питомі цінові показники:

· за кілоньютон допустимого навантаження на підйомний гак ~ 400 US $;

· за метр умовної глибини буріння ~ 160 US $;

· за кіловат потужності головного привода ~ 970 US $;

· за кілограм маси ~ 6 US $.

Наведені орієнтири характеризують лише продукцію країн СНД, на світовому ринку слід очікувати їх збільшення на 50-100%.

7 Висновки. Рекомендації з проектування мобільних установок для буріння, ремонту і обслуговування свердловин

Результати проведеного аналітичного огляду конструкцій та дослідження основних параметрів, в своїй основній частині викладені вище, дають підстави сформулювати наступні висновки (деякі з них одночасно являють собою практичні рекомендації проектувальникам установок універсального призначення):

Загальні міркування

7.1.1 З метою зменшення собівартості продукції, збільшення обсягів її виробництва доцільно розробляти і виготовляти установки для буріння та агрегати для ремонту і обслуговування свердловин одного класу на спільній елементній базі з максимальною уніфікацією комплектуючих агрегатів і вузлів. При реалізації такої концепції назване устаткування різнитиметься лише за складом циркуляційної системи та за інших рівних умов матиме найменшу собівартість.

7.1.2 При прийнятті будь-яких конструктивно-технологічних рішень в процесі проектування мобільних установок для буріння і ремонту свердловин розробник повинен керуватися не тільки і не стільки їх параметрами, скільки умовами виготовлення і подальшої експлуатації: виробничо-технологічними можливостями виробника, специфікою природно-виробничих умов експлуатації, рівнем культури виробництва, можливостями ремонтно-відновної бази експлуатуючого підприємства тощо.

7.1.3 Наведена вище доволі об’ємна і різноманітна інформація стосовно параметрів і конструктивних, компонувальних і кінематичних схем мобільних установок для буріння, ремонту і обслуговування свердловин дозволяє проектувальнику користуватися методом аналогій, тобто - запозичувати з неї чисельні значення параметрів і конструктивно-технологічні рішення без обгрунтування. Світова практика створення і експлуатації мобільних установок служить достатньо вагомим аргументом застосовності такого методу.

7.1.4 При проектуванні мобільних установок не слід користуватися вимогами стандарту [2] (табл.3.1), оскільки встановлені ним нормативні величини параметрів призначення та енергоозброєності нижчі досягнутого середньостатистичного технічного рівня по світовій номенклатурі виробництва, отже стандарт не стимулює створення конкурентоспроможної на внутрішньому і світовому ринках продукції.

7.1.5 Мобільні установки для буріння, ремонту і обслуговування свердловин, що нині серійно виготовляються в Росії, не можуть слугувати прототипами при розробці нового устаткування ідентичного призначення в Україні через свою низьку мобільність, недостатню енергоозброєність, велику матеріаломісткість та низку інших причин.

7.1.6 Віднайдені в огляді рівняння (6.1 - 6.21) є математичними моделями сучасного світового і середньостатистичного технічного рівня за основними одиничними показниками. Вони дозволяють розробнику оцінити реальність технічних завдань на проектування, прогресивність розроблюваних проектів, перспективну конкурентоспроможність виготовленої за ними продукції, виробнику - конкурентоспроможність його продукції та доцільність освоєння виробництва нових моделей серійних мобільних установок або придбання ліцензій на їх виробництво, експлуатаційнику - ефективність придбання і подальшого використання серійної мобільної установки довільної моделі, необхідність заміни наявного в парку застарілого обладнання.

7.1.7 По всіх досліджених показниках мобільних установок для буріння, ремонту і обслуговування свердловин виявлено вельми значну дисперсію (рис.А.1-А.5, додаток А), яка спостерігається навіть в установках одного виробника. Це свідчить про відсутність міжнародних та національних нормативів, чітких рекомендацій, методів і єдиного підходу в проектуванні і конструюванні установок. Зазначене підтверджує актуальність проведених досліджень, наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

7.1.8 Кожна базова модель в серійному виробництві повинна виготовлятися в декількох модифікаціях, які різняться між собою конструктивною висотою і допустимим навантаженням на наголовник щогли, кратністю оснастки талевої системи, типом монтажно-транспортної бази, моделями і потужністю приводних двигунів, комплектацією насосно-циркуляційного комплексу. Така номенклатура виробництва збільшує конкурентоспроможність продукції в цілому, найповнішим чином задовольняє запити споживачів.

Загальна компоновка

З двох можливих варіантів компоновки: drive-in та back-in перевагу слід віддати останній, як це зроблено в більшості розглянутих моделей усіх виробників. Переваги компоновки drive-in при використанні установок на спорудженні свердловин практично не реалізуються.