Аналитика



Если сломался автомобильный кондиционер, обращайтесь в фирму "АвтоматикА"

www.nrf.ru

15 глава спускоподъемный комплекс

15

ГЛАВА СПУСКОПОДЪЕМНЫЙ КОМПЛЕКС

15.1. ПРОЦЕСС ПОДЪЕМА И СПУСКА КОЛОНН.

ФУНКЦИИ КОМПЛЕКСА

Спускоподъемным комплексом буровой установки называется совокупность узлов, механизмов и приспособлений, служащих для спуска, подъема и удержания на весу бурильных и обсадных колонн и обеспечения технологических и аварийных операций.

В процессе проводки скважины спускоподъемный комплекс выполняет следующие функции: спуск и подъем (СПО) бурильных колонн для смены изношенного долота, когда нагрузка на систему не превышает веса колонны в воздухе; дополнительные технологические и аварийные работы, когда нагрузки на систему превышают вес бурильной колонны в воздухе. К дополнительным и аварийным работам относятся: приподъем и спуск бурильной колонны в процессе бурения при одновременном ее вращении и промывке скважины (расширение): спуск обсадных колонн; подъем обсадных колонн для освобождения элеватора или клиньев после наращивания очередной трубы или в связи с осложнениями; ликвидация прихватов и аварии бурильных и обсадных колонн; спуск и подъем бурильных колонн в искривленных и наклонных скважинах.

Первая категория операций (СПО) является наиболее продолжительной, циклической с переменными динамическими нагрузками, определяющими долговечность элементов спускоподъемного комплекса.

Вторая категория операций вызывает более высокие, кратковременные нагрузки в элементах комплекса, носящие случайный характер. Так как закономерность действия этих нагрузок не установлена, то за максимальную нагрузку принимают усилие на крюке, которое не должно превосходить в процессе всего цикла бурения скважины разрывной прочности применяемых бурильных труб или 0,8 наибольшей страгивающей нагрузки спускаемых обсадных труб.

Оборудование подъемного комплекса работает в режиме повторнократковременных меняющихся по величине нагрузок. Процесс подъема из скважины колонны, скомпонованной из отдельных секций (свечей), состоит из циклов лп, содержащих повторяющиеся в строго определенной последовательности операции (рис. 15, а): захват колонны элеватором; подъем всей колонны на длину свечи при нагрузке на крюк, равной весу поднимаемой колонны в растворе и силам сопротивления при ее движении в скважине; установку колонны на стол ротора; освобождение от растягивающей нагрузки поднятой на поверхность свечи; раскрепление ключами, отвинчивание от колонны поднятой свечи и установку ее внутри буровой в специальном магазине или укладку на мостки около буровой; спуск нена-груженного крюка и элеватора для захвата колонны, подвешенной на роторе; захват и подъем колонны на длину следующей свечи и т.д. При спуске колонны (рис.15.1, б) эти операции выполняют в обратной последовательности, но с другими продолжительностью и нагрузками.

Продолжительность подъема и спуска каждой свечи складывается из машинного и машинно-ручного времени.

Машинное время подъема и спуска каждой свечи зависит от степени

0    0,5    1,0    1,5    t,    мин    0    0,5    1,0    t,    мин

Рис. 15.1. Диаграмма цикла нагружения подъемный системы:

а, б - соответственно подъем и спуск колонны на длину одной свечи; N - мощность на барабане лебедки; t -время; tэ - установка или снятие с колонны элеватора; tn3, tn - подъем элеватора, колонны; tу - захват и установка свечи; tK,    ^в и tKp - раскрепление, отвинчивание, свинчивание и крепление свечи; tn.K - приподъем

колонны; t„, tC3 - спуск колонны, элеватора; А - подъем последующих свечей

Рис. 15.2. Конструктивная схема подъемного комплекса:

1 - крюк; 2 - талевый блок;    3    -

несущие ветви; 4 - кронблок; 5 -вышка; 6 - лебедка;    7    -    приспо

собление для крепления неподвижного конца каната; А и Б -ведущая и неподвижная ветви каната; 0 - ось скважины

совершенства конструкции подъемного комплекса, его мощности, скоростей подъема и т.д.; время, затрачиваемое на машинно-ручные операции, зависит от размера и веса свечей, степени механизации этого процесса, квалификации бригады и т.д. Из диаграмм цикла подъема и спуска свечи (см. рис. 15.1) видно соотношение машинного и машинно-ручного времени при этих операциях.

Общее время, затрачиваемое на подъем и спуск бурильной колонны подразделяется на время, затрачиваемое на подъем колонны, спуск нена-груженного элеватора для захвата очередной свечи, спуск колонны и подъем ненагруженного элеватора для захвата очередной спускаемой свечи, находящейся в магазине (или время на подъем элеватора с одной трубой, захватываемой с мостков).

Число рейсов подъемного комплекса во время проводки скважины зависит от ее глубины, поскольку оно является функцией проходки на долото, зависящей от конструкции скважин и долот, буримости пород, способа и уровня техники бурения, качества долота и др.

Обычно для бурения глубоких скважин расходуют от нескольких долот в мягких породах до нескольких десятков, а иногда и сотен долот в твердых породах.

По мере углубления скважины в процессе бурения длину бурильной колонны периодически увеличивают, при этом возрастает и вес колонны, а следовательно, и нагрузка на подъемный комплекс. Нагрузка на подъемный комплекс при подъеме уменьшается по мере извлечения колонны из скважины, а при спуске, наоборот, увеличивается.

Число циклов изменения нагрузок на талевую систему для каждого рейса равно числу свечей в колонне.

Для выполнения перечисленных функций можно применять различные подъемные системы: механические полиспасты, рычажные или зубчатые, гидравлические и др. Однако до настоящего времени конструкторам не удалось создать подъемную систему для буровой установки, конкурентоспособную с полиспастной (рис. 15.2).

Для каждого назначения, нагрузки и условий бурения конструктор должен найти наивыгоднейшее число ветвей в системе (в настоящее время применяют от 2 до 14 ветвей), а также наиболее целесообразную точку крепления неподвижного («мертвого») конца каната, так как от этого зависят передаточное отношение и нагрузка в подъемной системе.

15.2. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА КОМПЛЕКСА ДЛЯ СПО

Кинематическая схема комплекса СПО приведена на рис. 15.3. Во время подъема и спуска колонн скорость движения всех элементов подъемной установки непостоянна вследствие неравномерности вращения двигателя, изменения радиуса навивки каната на барабан, непостоянства КПД механизма и сопротивления движению колонны в скважине Кинетические соотношения и параметры системы можно найти из следующих выражений.

Средняя частота вращения (об/мин) барабана лебедки при подъеме

Пб1    = Пд/Цдб,

где пд — номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин; идб — общее передаточное отношение от вала двигателя до барабана лебедки,

идб = U1U2U3... un;

и1, и2, ..., ип — передаточные отношения промежуточных передач от вала двигателя до барабана лебедки.

Скорость навивки (м/с) каната на каждом из рядов барабана ив = = лДпб/60, где Dt — диаметр навивки каната в каждом ряду, м.

Минимальный диаметр навивки каната D0 = D6 + d, где D6 — диаметр бочки барабана; d — диаметр каната.

Наибольший диаметр навивки каната

De = D6 + a(z - 1)d,    (15.1)

где z — число слоев навивки каната; а — коэффициент уменьшения диаметра навивки за счет смятия и укладки каната, а = 0,93^0,95.

Канат на барабан можно навивать в несколько слоев или по винтовой линии с противоположным направлением спиралей в смежных рядах или с параллельной укладкой витков. Лучшей в отношении уменьшения износа каната является параллельная укладка, при этом коэффициент а имеет наименьшее значение.

Рис. 15.3. Кинематическая схема подъемного комплекса:

1 — двигатель; 2 — трансмиссия с коробкой передач; 3 — лебедка; 4 — кронблок; 5 — талевый блок; 6 — крюк

Средний диаметр навивки каната Бср = (Do + De)/2.

(15.2)


Зная частоту вращения барабана лебедки и его размеры, определяют наибольшие [см. формулы (15.1), (15.2)], наименьшие и средние скорости талевого каната и крюка без учета разгона и торможения.

Средняя скорость (м/с) ведущей ветви талевого каната

Vu. ср пDCрnб^/60.    (15.3)

Средняя скорость крюка (м/с) без учета разгона и торможения

^.ср Ув.ср/^т,    (15.4)

где ит — кратность полиспаста или число рабочих ветвей в талевой оснастке.

Скорости движения каната (см. рис. 15.3): v1 = ув; v2 = v1к = v3; v4 = V3к = v1 — 4ук ..., где v1 > v2 = v3v4 = ... ; скорость неподвижной ветки каната vyi = 0.

Частоты вращения шкивов блоков (об/мин):

,__; n2 = 60(Vв - Vк);

60v в

n =


D    nDm

= 6OV2 = 60(vв - 2vк) где D0 — диаметр шкива блока, м; ув, v1, у2, ..., ум — скорости движения каната, м/с; n1, n2, ..., n — частоты вращения шкивов, об/мин.

3


kD„-


kD„-


Из этих соотношений видно, что наибольшая скорость движения каната в талевой системе всегда у ведущей ветви, а с наибольшей частотой вращается шкив, через который проходит эта ветвь. Наибольшая скорость движения каната должна быть ув < 20 м/с, так как при больших скоростях не происходит равномерной укладки каната на барабан лебедки.

Для определения максимальных нагрузок для расчетов элементов подъемного комплекса на прочность необходимо располагать данными о динамических нагрузках и времени их действия. Рассмотрим процесс движения талевой системы при СПО для определения действительной скорости крюка.

Подъем крюка при помощи лебедки под нагрузкой происходит при извлечении колонны из скважины, а без нагрузки — при ее опускании. Спуск крюка под нагрузкой производится при опускании колонны в скважину, а без нагрузки — при подъеме колонны.

Действительная средняя скорость (м/с) подъема или спуска крюка с учетом разгона и торможения

h    (15.5)

ti + t2 +

где h — длина хода крюка, м, при расчетах можно принимать h = el; l — длина свечи; e = 1,01^1,02 — коэффициент превышения хода крюка над длиной свечи.

Каждый цикл подъема или спуска свечи может состоять из двух или трех периодов: периода разгона t1, в течение которого крюк увеличивает скорость движения; периода установившейся скорости движения t2; периода замедления движения t3 до полной остановки. В некоторых случаях период установившегося движения может отсутствовать.

Действительная средняя скорость крюка при подъеме зависит от длины каната, наматываемого на первый и последний ряды барабана, и от интенсивности разгона. Действительная средняя скорость может на 3 — 8 % отличаться от скорости, определенной по среднему ряду навивки каната; при практических расчетах этой ошибкой можно пренебречь.

Время разгона крюка при подъеме (с):

^п = ^бЮб У л / Мб;

здесь 1б — момент инерции подъемного вала, приведенных к нему инерционных моментов всех вращающихся частей трансмиссии и движущейся бурильной колонны, Н-м-с2; юб — угловая скорость барабана, с-1; ул — коэффициент, зависящий от соотношения частот вращения ведомых частей главного фрикциона лебедки в конце периодов разгона и установившегося движения (для буровых лебедок можно принимать ул = 1,85); Мб — крутящий момент на барабане от нагрузки на крюке, Н-м;

t2п = tп ^п t3п,

^ — время подъема колонны на длину свечи.

Средняя скорость подъема меньше скорости, обеспечиваемой при полной (номинальной) частоте вращения двигателя, из-за невозможности мгновенного пуска и торможения лебедки.

Vп.ср =    = ^п -1—,    (15.6)

к.ср.п     к max п

где -к.ср.п и -к max п — скорости крюка средняя и максимальная при подъеме колонны, м/с; Хп — коэффициент заполнения тахограммы при подъеме.

Коэффициент заполнения тахограммы при подъеме можно определить по формуле

-2

хп = 1 + с-^,    (15.7)

h

где с — коэффициент, зависящий от типа привода лебедки, с2/м (для электрического, дизель-электрического, газотурбоэлектрического привода с = = 2,4; для дизельного с гидротрансформатором и газотурбинного приводов с = 3,6; для дизель-механического и дизельного привода с гидромуфтой с = 4,8).

15.3. ТАЛЕВАЯ СИСТЕМА

Талевая система буровых установок служит для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное перемещение крюка, для уменьшения силы натяжения конца каната, навиваемого на барабан лебедки.

Талевая система состоит из неподвижного кронблока, подвижного талевого блока, гибкой связи (талевого каната, соединяющего неподвижный и подвижный блоки), бурового крюка и штропов, на которые подвешивают колонну бурильных или обсадных труб, устройства для крепления неподвижного конца талевого каната, допускающего перепуск каната.

К талевым системам буровых установок предъявляют следующие общие требования: эксплуатационная надежность, так как выход из строя элементов талевой системы ведет к серьезным авариям; удобство и безопасность обслуживания — все движущиеся элементы должны быть защищены кожухами и иметь обтекаемые формы, исключающие возможность задевания за вышку; долговечность; возможность осуществления быстрого монтажа и демонтажа, смены каната при переоснастках; взаимозаменяемость однотипных механизмов и элементов между собой; удобство для погрузки всех механизмов талевой системы на транспортные средства и возможность многократных перемещений их волоком на небольшие расстояния в пределах промыслов.

В буровых установках для бурения скважин глубиной 1200 — 3000 м следует применять талевые системы с числом шкивов в талевом блоке и кронблоке 2x3 и 3x4; в установках для глубин 3000 — 7000 м число шкивов следует выбирать от 3x4 до 6x7.

Неподвижный конец каната укрепляют к основанию буровой через специальные устройства.

Число и размеры блоков, а также число ветвей каната в талевой системе определяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием лебедки, размерами, прочностью и типом талевого каната. Эти показатели должны быть увязаны между собой.

В одном случае при бурении скважин одинаковой глубины в различных условиях на крюк действуют одинаковые нагрузки, но число СПО в этих условиях бурения может отличаться от числа СПО при бурении в других условиях в несколько раз. Если число СПО небольшое, то решающим фактором является прочность талевой системы, а при большом числе СПО — абразивный и усталостный износ каната и других элементов. В одном случае можно выбрать систему с большим числом шкивов и ветвей каната, но с небольшим его диаметром, в другом — канатов большого диаметра с высоким сопротивлением абразивному и усталостному износу, но при меньшем числе шкивов в системе. Чтобы правильно решить эту задачу, прежде всего надо знать условия применения системы и свойства канатов и элементов системы; это необходимо для выбора наиболее эффективного решения из всего многообразия возможных. В талевых системах буровых установок следует применять стальные канаты диаметром от 20 до 42 мм. Талевые системы характеризуются максимальной допускаемой нагрузкой, числом рабочих ветвей и диаметром каната.

Практикой эксплуатации установлено, что целесообразнее уменьшать число шкивов, увеличивать их диаметр, применять более прочные канаты большего диаметра.

Число шкивов кронблока всегда должно быть на единицу больше, чем в талевом блоке, а число ветвей в оснастке — четное:    =    гтб + 1, ит =

= 2 z-ro, здесь z-ro и z^ — число шкивов талевого блока и кронблока.

Скорость ведущей ветки каната ув по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20 м/с, т.е. ув = уки т < 20 м/с, где ук — скорость крюка, м/с.

В то же время натяжение ведущей ветви должно быть

р = Рттах < Кд_

-*В    s'

ит    ^в

где Рт тах — максимальная нагрузка на крюк, Н; Яд — действительная разрывная прочность каната, Н; ит — число ветвей в оснастке или передаточное отношение талевой системы; Бв — коэффициент запаса прочности каната (для буровых установок должен быть не менее 2 по отношению к максимальной нагрузке и не менее 3 по отношению к весу бурильной колонны номинальной длины).

Число слоев навивки каната на барабане лебедки следует выбирать наименьшим, равным 2 — 3.

Практика последних лет свидетельствует о целесообразности применения больших соотношений между диаметром шкива и каната (D0/d до 48) и применение при этом более жестких, но износостойких канатов типа ТЛК-О с линейным контактом проволок в пряди и металлическим сердечником, предохраняющим канат от раздавливания и потери формы поперечного сечения.

Талевая система работает в условиях переменных циклических нагрузок, особенно во время СПО, и в условиях вибрационных нагрузок в процессе бурения. Вибрации колонны передаются талевой системе и вызывают не только ее колебания, но часто и вышки. В процессе бурения наблюдались случаи, когда вибрационные нагрузки приводили к обрывам талевых канатов вследствие усталостных разрушений в местах перегиба неподвижного конца на первом шкиве кронблока, т.е. в месте, практически не подверженном истиранию.

15.4. ВЫБОР СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ ДЛЯ ТАЛЕВЫХ СИСТЕМ

КОНСТРУКЦИИ КАНАТОВ

В талевых системах буровых установок применяют стальные канаты только круглого сечения. Срок службы канатов в одних условиях исчисляется всего несколькими днями, а в других — неделями или месяцами, поэтому вопросы выбора и расчета канатов для обеспечения необходимой их долговечности при различных условиях имеют первостепенное значение.

В буровых установках можно применять весьма ограниченное число типов только круглых шестипрядных канатов тросовой конструкции, т.е. двойной свивки с сердечником. Однако такие канаты изготовляют самых различных конструкций, поэтому выбор их также довольно сложен. Эти канаты по конструкции разделяют на три группы: одинарной, двойной и тройной свивки. Канат одинарной свивки является элементом каната двойной свивки и в этом случае называется прядью, а канат двойной свивки является элементом каната тройной свивки и называется стренгой. Тросовой конструкцией называется канат, состоящий из одного слоя прядей; эти канаты преимущественно и применяют в талевых системах.

U    Рис. 15.4. Многослойные пряди стального каната:

1 — сердечник; 2 — внутренние слои пряди; 3 — внешний слой

12    3

б

Рис. 15.6. Конструкции талевых канатов

В прядях группа проволок располагается по спирали вокруг сердечника в несколько концентрических слоев. Пряди каната изготовляют трех типов: с односторонним направлением, одинаковым углом свивки и линейным касанием проволок в слоях — тип ЛК (рис. 15.4, а); с одинаковым шагом свивки во всех слоях (рис. 15.4, б); комбинированные с разным направлением свивки по слоям (рис. 15.4, в). Во втором и третьем случаях проволоки в слоях перекрещиваются и происходит их точечное касание (тип ТК).

Пряди изготавливают из разного числа (1 + 6 + 12 + 18 = 37) проволок одной толщины 5, в слоях, свитых вокруг одной центральной проволоки сердечника — тип ТК (рис. 15.5, а); с одинаковым числом (1 + 9 + 9 = = 19) проволок разной толщины 51 и 52 в каждом слое — тип ЛК (рис. 15.5,

б); с промежуточным слоем для лучшего заполнения сечения, состоящим из проволок двух толщин 1 + (6 + 6) + 12 = 25 (рис. 15.5, в); с внешним слоем из проволок различной толщины 1 + (6 + 6) + 12 = 25 (рис.

15.5, г).

В стальных канатах двойной свивки группа прядей располагается по спирали вокруг органического или металлического сердечника. Для тяжело нагруженных талевых систем лучше выбирать канаты с металлическим сердечником, состоящим из семи прядей по семь проволок в каждой. Талевые канаты этого типа обеспечивают необходимую гибкость и имеют высокую поперечную жесткость.

Для талевых систем, предназначенных для бурения неглубоких скважин с небольшим числом СПО, следует выбирать канаты более простых конструкций, простой свивки с органическим сердечником. Для талевых систем для бурения глубоких скважин с большим числом СПО нужно выбирать канаты с высокой разрывной прочностью, хорошей гибкостью и сопротивлением истиранию внешних проволок, хорошо сохраняющих форму поперечного сечения, благодаря чему обрывы проволок в этих канатах менее вероятны. Этим условиям отвечают канаты с металлическим сердечником, у которых наружный слой прядей свит из проволок большой толщины, а внутренние слои — из тонких проволок.

На рис. 15.6 показаны канаты, применяемые в талевых системах: с простой конструкцией прядей 1, с точечным касанием проволок и органическим сердечником 2 (тип ТК-О 6x1 + 18 = 114, рис. 15.6, а); с линейным касанием проволок в прядях 1 и органическим сердечником 2 (тип ЛК-О 6x1 + 9 + 9 = 114, рис. 15.6, б); то же, но с металлическим сердечником 3 (тип 7x7 = 49) и свивкой прядей 1 из проволок различной толщины (тип ЛК 6x26 = 156 + 1 м.с., рис. 15.6, в); с прядями 1 из проволок разной толщины в промежуточном слое (тип ЛК-РО 6x1 + 6 + (6 + 6) + 12 = = 186, рис. 15.6, г) с металлическим сердечником 4, более жестких конструкций и большей прочности применяют для спуска тяжелых обсадных колонн, когда требуется высокая прочность каната, а гибкость и износ не играют большой роли.

В табл. 15.1 приведены данные стальных канатов, применяемых в талевых системах.

Таблица 15.1

Характеристики талевых стальных канатов

Диаметр каната, мм

Площадь сечения, мм2

Удельная масса, кг/м

Разрывное усилие каната в целом, кН, при временном сопротивлении проволоки

Толщина проволок внешнего слоя, мм

18,0 МПа

20,0 МПа

Канаты типа ЛК-О 6x1 + 9 + 9 = 114; 6x1 + 6 + 9 = 96; ЛК-РО 6x1 + 6 + 6 + 6 + 12 = 186

22,0

204

1,9

320

340

1,0

25,0

300

2,66

460*

517

1,6

28,0

376

3,38

576*

618

1,8

32,0

470

4,15

719*

742

2,0

35,0

564

5,05

863*

906

2,2

38,0

672

5,98

1029*

1100

2,4

41,3

712

6,6

1120

1200

2,6

44,5

-

8,2

1200

1350

2,8

Канаты типа ЛК-М 6x1 + 9 + 9

= 114 и 6x1 +

6 + 9 + 9 = 150

22,0

219

2,04

330

360**

1,0

25,5

304

2,83

470**

495

1,1

28,5

367

3,40

550

600**

1,2

32,0

437

4,05

660

710**

1,3

35,0

543

5,05

820

870

2,2

38,0

671

6,25

1010

1030

2,4

41,3

763

7,1

1150

1180

2,8

44,5

8,4

1350

1380

2,8

* Для каната по ГОСТ 16853 — 71 с металлическим сердечником.

Данные, рекомендуемые ведущими зарубежными фирмами для тяжело нагруженных талевых систем.

Условной прочностью Rc называется суммарное разрывное усилие всех проволок в канате. При расчетах, если суммарное разрывное усилие неизвестно, его определяют по номинальному временному сопротивлению проволоки по формуле

Rc = Ств-F,

где Rc — в Н; F — суммарная площадь сечения всех проволок, м2; ств — временное сопротивление проволоки, Па.

Разрывным усилием каната в целом Rд называется усилие, при котором происходит разрушение каната. Это действительная прочность каната в целом. Разрывное усилие каната в целом всегда меньше суммарной прочности составляющих его проволок.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КАНАТОВ

Под действием циклических нагрузок и перегибов на шкивах и барабане лебедки канат быстро разрушается и изнашивается.

Практикой установлено, что канаты считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации при наличии определенного количества оборванных проволок на длине одного шага свивки. При дальнейшем использовании такого каната число обрывов быстро увеличивается, и через сравнительно небольшой срок канат полностью разрушается, что может привести к аварии.

Долговечность талевых канатов ограничивается числом разрушенных обрывов проволок или износом их по диаметру вследствие трения. Проволоки разрушаются в результате действия переменных напряжений растяжения, изгиба и кручения, возникающих от перегибов каната при наматывании и сматывании каната с барабана и движения его по блокам талевой системы; защемления каната между витками на барабане лебедки или в канавке шкива при ее несоответствии диаметру каната из-за износа канавки; повышения хрупкости проволок из-за перегрева от трения и последующего резкого охлаждения. Эти факторы оценивают по числу оборванных проволок на длине шага пряди каната.

Износ проволок каната происходит вследствие трения о канавки шкивов, барабана о витки каната (и наоборот) при движении или деформации растяжения каната, в этом случае изнашиваются проволоки наружного слоя; износа проволок внутри прядей вследствие трения прядей одна о другую и проволок между собой при изгибе. Этот износ можно оценить по уменьшению диаметра каната, который не должен превышать 10 %.

Срок службы проволочного каната определяется следующими факторами: качеством изготовления каната; соответствием конструкции и размеров каната заданным нагрузкам и условиям работы на буровой установке; диаметрами шкивов, барабана лебедки и размерами их канавок; числом слоев навивки на барабан; направлением перегибов при прохождении через шкивы; правильной оснасткой и эксплуатацией каната; качеством смазки каната. По ряду практических и экспериментальных данных уста-

новлена зависимость влияния различных конструкционных факторов на срок службы каната.

С увеличением отношения диаметра шкива к диаметру каната и уменьшением напряжения возрастает долговечность каната. Существует оптимальное соотношение между отношением D0/d и толщиной проволоки ст, при которой для заданных условий эксплуатации долговечность каната максимальна.

В канатах с линейным касанием проволок в прядях при соблюдении определенных соотношений напряжений и отношения D0/d более простые конструкции типа ЛК-РО 6x25 долговечнее более сложных по конструкции канатов типа ЛК-РО 6x37, имеющих большую гибкость. Это объясняется тем, что в последнем случае вследствие перекрещивания проволок в смежных слоях возникают дополнительные напряжения в точках их пересечения и происходит более быстрое истирание и обрыв тонких проволок.

Размеры профиля канавки, материал барабана и шкивов, удельное давление между канатом и канавкой оказывают большое влияние на работоспособность каната, поэтому профиль канавки должен точно соответствовать диаметру каната.

Талевые канаты не требуют дополнительной смазки при эксплуатации, так как закладываемой в канат смазки при его изготовлении достаточно на весь непродолжительный срок его службы. Применение специальных смазок с содержанием молибдена значительно увеличивает долговечность талевых канатов.

Согласно правилам Госгортехнадзора талевые канаты считают непригодными к дальнейшей эксплуатации в следующих случаях: при обрыве одной пряди каната; числе оборванных проволок более 10 % всего числа проволок в канате на шаге свивки каната диаметром свыше 20 мм; вдавливании одной из прядей вследствие разрыва сердечника каната; втягивании или сплющивании каната при его наименьшем диаметре менее 75 % первоначального; износе или коррозии 40 % и более (по отношению к первоначальному диаметру проволоки).

РАСЧЕТ КАНАТОВ ТАЛЕВЫХ СИСТЕМ

Канаты талевых систем рассчитывают на прочность по наибольшей действующей нагрузке и на долговечность по работе, выполненной канатом при СПО и бурении.

Расчет на прочность. Вследствие сложного напряженного состояния проволок в канате, расположенных под различными углами к оси, возникают силы давления, создающие трение между проволоками, и дополнительные касательные усилия, усложняющие напряженное состояние каната. Решить задачу по определению истинных напряжений, действующих в поперечном сечении каната, до настоящего времени не удавалось.

Правила Госгортехнадзора регламентируют расчет канатов по допускаемому усилию:

Рдоп = Rд/Sв,

где Яд — разрывное усилие каната в целом, Н; Бв — коэффициент статического запаса прочности каната, зависящий от типа машины, характера ее работы и диаметра шкивов (для талевых систем буровых установок принимают значения S = 2^5 при отношении D0/d > 30; значения S < 2 при статическом нагружении не допускаются; при динамических нагрузках при СПО S > 3).

Исследования канатов показали, что при разрыве каната, движущегося на шкивах, фактическое или динамическое разрушающее усилие значительно ниже разрушающей нагрузки каната в целом при статическом нагружении. Возникающие радиальные сжимающие усилия и трение между проволоками и прядями при статическом нагружении приближают канат к монолитному телу, и он разрушается как одно целое. Несколько иначе происходит разрушение каната при прохождении по шкивам под нагрузкой.

Поперечное сечение каната деформируется, силы сцепления между отдельными проволоками уменьшаются, и каждая проволока и прядь начинает работать отдельно, что снижает прочность каната.

Расчет работоспособности канатов. Точных методов расчета срока службы канатов нет. В практике используют метод оценки срока их службы по количеству работы, совершенной канатом в процессе СПО и бурения. Этот метод следует использовать при выборе канатов талевых систем и для составления программы его эксплуатации. Метод позволяет производить сравнительную оценку работы каната или подсчитывать его работу в сходных условиях эксплуатации и корректировать составленную программу отработки в соответствии с фактическим износом каната.

Суммарную работу А& совершаемую канатом талевой системы за время бурения скважины, сравнивают с его работоспособностью Ак; затем составляют программу перепуска и отрезания кусков каната талевой системы или находят его длину, необходимую для бурения скважины.

Общая работоспособность каната Ак — это сумма трех величин: запаса работоспособности — ресурса каната до первого отреза Ак1, запаса работоспособности каната при следующем его отрезании Ак2 и запаса работоспособности каната, оставшегося на талевой системе после того, как резервная длина каната уже использована:

Ак = Ак1 + Ак2 + Ак3.

Работа каната до первого отрезания, Дж,

Ак1    Ao1okckтkш,

где A0 — базовый или номинальный ресурс работоспособности 1 м каната, Дж; 10 — длина отрезаемой части каната, м; kc, кт и k0 — коэффициенты.

Ниже приведены значения ресурсов работоспособности талевых канатов A0 при коэффициенте запаса прочности S = 5 и отношении D0/5 = = 600 (по данным зарубежных фирм) в зависимости от диаметра каната d.

d, мм................................25,5    28,5    32    35    38

А0, МДж/м..........620-650    750-770    960    150    1350

Значение l0 выбирают на основании опыта эксплуатации в зависимости от условий бурения, конструкции каната и талевой системы. Величину 10 можно также определить ориентировочно из соотношения 10 = (0,6^0,7)В, где В — расстояние от кронблока до пола буровой, т.е. 10 — длина, примерно равная длине одной ветви каната талевой системы. Длина отрезаемой части каната не должна быть больше длины каната на первом слое барабана лебедки.

Корректирующий коэффициент    kc    учитывает фактический    статический коэффициент    запаса    прочности    Бв    в зависимости    от    веса    бурильной

колонны.

Коэффициент кт учитывает число спуск-подъемов и зависит от бури-мости породы.

Порода......................... Легкобуримая Средней    Труднобуримая Очень

буримости    труднобуримая

Работу, выполняемую талевой системой при операциях спуска и подъема бурильной колонны, принимают при расчетах в предположении, что нагрузка на крюк при спуске равна нагрузке при подъеме.

Работа при спуске и подъеме ненагруженного элеватора, Дж,

Аэ = 2Ст.^Мк.х,

где Ст.с — вес подвижной части талевой системы, Н; h — длина хода крюка, м; Мкх = Nyr + Мб.к = 2ze/l — число циклов нагружений при подъеме ненагруженного элеватора; ze — общая длина поднимаемых труб и УБТ.

Работу (Дж) при спуске УБТ при бурении на глубину, равную длине УБТ, приближенно определяют по формуле

Аут (GT,    I 5убт    ССу) hNy,

где 5убт —    число    спускаемых    свечей УБТ; Ссу    — вес свечи УБТ, Н; Nут    —

число циклов спусков и подъемов тяжелого низа, равно 5убт.

При бурении в мягких породах величиной Аут можно пренебречь ввиду ее малости.

Работа, выполняемая при спуске и подъеме бурильной колонны, Дж, Абк = [(Ст.с + Сут) ^к + GCT(N1 + 2N2 + 3N3 + ... + Nt)]h,

где N^ — число циклов при спуске и подъеме бурильной колонны; Сст — вес свечи бурильных труб, Н; N1, N2, ..., Nt — наработка на одной ступени, т.е. число циклов нагружений при колонне с одной, двумя, тремя свечами и т.д.

При известных общем весе бурильной колонны Сбк Сут, равном Ркс, и весе бурильных труб Сбт можно определить приближенно работу при СПО:

Абк =    (Ст.с + Сут + Сбт/2) hNбк.

15.5. КРОНБЛОКИ И ТАЛЕВЫЕ БЛОКИ

Кронблок и талевый блок служат для размещения неподвижной и подвижной групп свободно вращающихся шкивов, по которым проходит канат талевой системы, Кронблок и талевый блок представляют собой конструкцию, в которой группа свободно вращающихся шкивов смонтирована на подшипниках на оси, укрепленной в корпусе. По числу осей и их креплению кронблоки и талевые блоки бывают двух видов — одноосные и многоосные. В одноосных конструкциях все блоки размещают на одной или нескольких подвижных соосных осях, а подшипники монтируют в ступицах шкивов; в многоосных конструкциях оси выполняют несоосными и вращающимися вместе со шкивами в подшипниках, укрепленных в корпусах на раме.

На рис. 15.7, а, в и г приведены схемы одноосных, а на рис. 15.7, б — многоосных кронблоков и талевых блоков. Предпочтительны одноосные конструкции, имеющие меньшие массу и габариты.

Одноосные кронблоки и талевые блоки по конструкции осей и опор выполняются трехопорными (см. рис. 15.7, а), двухопорными (см. рис. 15.7,

в) и многоопорными (см. рис. 15.7, г).

Оси кронблока и талевого блока представляют собой нагруженную балку. Поэтому выбор того или иного конструктивного решения зависит от возможности обеспечить требуемую прочность оси и долговечность под-

Рис. 15.7. Конструктивные схемы кронблоков:

а — одноосная с промежуточной опорой оси; б — многоосная; в — одноосная с двумя внешними опорами; г — одноосная многоопорная; 1 — опора оси; 2 — шкив; 3 — ось; 4, 5 — подшипники шкива и оси

шипников. В двухопорных конструкциях диаметр оси должен быть значительно больше, чем в многоопорных. В многоопорных одноосных конструкциях диаметр оси может быть наименьшим, однако технологически сложно обеспечить равномерное распределение нагрузки по опорам при неразрезанной оси. Вариант трехопорной конструкции является промежуточным между рассмотренными двумя.

Меньшие размеры и массу имеют одноосные кронблоки без промежуточной опоры оси. Они монтируются на сварной стальной раме, на которой укреплена ось с пятью шкивами на роликоподшипниках. Кронблок рассчитан на максимальную нагрузку 1,4 МН, и такое конструктивное решение обеспечивает прочность, жесткость и удобство обслуживания.

Кронблок с одной осью и двумя опорами монтируют на раме сварной конструкции, изготовленной из двух продольных и двух поперечных (двутавровых) балок. Кронблок (рис. 15.8) опирается на подкронблочные балки вышки концами крайних продольных балок. К середине продольных балок приварены на прокладках разъемные корпусы опор, на которых укреплена секция со шкивами. Секция включает ось, на которой смонтированы шкивы, каждый на двух роликоподшипниках. Ось от проворачивания в опорах застопорена ригелями. К нижней полке одной из балок может быть прикреплен держателем вспомогательный блок на нагрузки до 0,03 МН для подъема различных деталей в буровой. Для защиты вращающихся шкивов и предохранения от соскакивания каната секция блоков закрыта кожухом, укрепленным на шарнирах.

Многоосные кронблоки выполняют одноярусными (оси находятся на одном уровне) и многоярусными (с разными уровнями расположения осей).

Талевый блок представляет собой стальной сборный корпус из литых или сварных стальных элементов, в котором на осях и подшипниках смонтированы шкивы. Талевый блок должен иметь минимальные габариты, особенно по ширине, так как он движется внутри вышки в пространстве между пальцами магазинов с бурильными свечами, чтобы обеспечить безопасное расстояние между блоком и элементами вышки.

Рис. 15.8. Кронблок пятпшкпвнып с одной осью:

1 — ось шкивов; 2 — пресс-масленка; 3 — гайка; 4, 12 — опоры; 5 — ось; 6, 7 — распорные кольца; 9 — пружинное кольцо; 10 — шкив; 11 — кожух; 13 — стопорный штифт; 14 — рама

Талевые блоки бывают двух видов: односекционные (все шкивы смонтированы на одной оси, укрепленной в боковых щеках) и двухсекционные (две секции шкивов смонтированы в корпусе отдельно, а между осями оставлено пространство для пропуска свечи). Двухсекционные талевые блоки применяют в системах автоматизированного спуска и подъема свечей.

На рис. 15.9 показан шестишкивный талевый блок для максимальной нагрузки 5,0 МН. Буровой крюк следует подвешивать к талевому блоку на его нижнюю серьгу или присоединять на стержнях к его корпусу. Верхняя траверса талевого блока должна иметь отверстия для подвески его при монтаже. Сверху и с боков талевый блок закрыт кожухами с пазами для прохода каната. Для придания жесткости кожуху на лепестках, образованных прорезями, приваривают ребра жесткости или штампуют выступы. Для обеспечения равномерной затяжки щек на оси и в торце верхней траверсы устанавливают регулировочные прокладки.

В системах для механизации спускоподъемных операций применяют двухсекционные талевые блоки, между секциями которых устанавливают трубы с направляющими раструбами для пропуска свечи.

Секции шкивов талевых блоков и кронблоков выполняют однотипной конструкции, представляющей собой ось, на которой на подшипниках качения смонтированы шкивы.

Секции шкивов кронблоков отличаются от секций талевых блоков только конструкцией концов оси и ее креплением, а также числом шкивов.

Для обеспечения взаимозаменяемости шкивы, подшипники, секции кронблоков и талевых блоков, выпускаемые одним заводом, выполняют одинаковыми.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять эти механизмы, являются надежность и наименьшие размеры по длине оси для обеспечения необходимого минимального пространства в вышке для прохода талевого блока; кроме того, чем меньше длина оси, тем меньше напряжения изгиба в ней при прочих равных условиях.


Каждый шкив должен быть так смонтирован на подшипниках, чтобы он мог свободно вращаться независимо от частоты вращения соседних шкивов; в то же время он не должен смещаться по оси под действием осевых сил от трения каната о его реборду.

Талевые системы работают в довольно напряженных условиях, поэтому к точности изготовления и качеству материалов предъявляют повышенные требования. Боковое биение шкива допускается не более 1 мм, а радиальное — не более 0,5 мм на диаметре

Рис. 15.9. Талевый блок шестишкивный:

1 — серьга; 2 — подвеска; 3 — корпус; 4 — кожух; 5 — ось шкивов; 6 — роликоподшипники; 7 — шкив; 8 — крышка 1000 мм. Отклонение оси профиля канавки допускается не более 1,5 мм, а разностенность реборд — не более 2 мм. Приемку следует осуществлять в соответствии с требованиями правил для грузоподъемных машин.

Корпус блока изготовляют сварным из углеродистой конструкционной стали, шкивы — литыми из легированных сталей типа 40ГЛ, 50ГЛ, 30ХНЛ или сварными из углеродистых и легированных сталей, с закалкой канавок до твердости HRC 30 — 40 и шероховатостью Rz = 25 мкм.

Оси должны быть кованые, термические обработанные, из легированной стали марки 40ХН и др.

15.6. БУРОВЫЕ КРЮКИ И КРЮКОБЛОКИ

Буровой крюк предназначен для подвешивания бурильных колонн в процессе бурения, спуска и подъема бурильных труб и спуска обсадных колонн. В процессе этих технологических операций при проводке скважин он выполняет еще и другие функции:

удерживает подвешенный на штропе вертикально перемещающийся вертлюг с вращающейся бурильной колонной;

воспринимает крутящий момент, возникающий на опоре вертлюга, при вращении бурильной колонны ротором;

обеспечивает автоматический захват за штроп вертлюга с ведущей трубой, находящейся в шурфе при переходе от операций спуска к бурению, или, наоборот, освобождение штропа вертлюга с ведущей трубой, установленных в шурфе при переходе от операций бурения к подъему;

надежно удерживает в зеве крюка штроп вертлюга при внезапных остановках в скважине спускаемой колонны;

надежно удерживает на штропах элеватор с бурильной или обсадной колонной в процессе их спуска или подъема;

легкое поворачивание крюка и манипулирование им в процессе захватывания и освобождения свечей;

автоматически поднимает отвинченную от колонны свечу (при операциях ее подъема) на высоту, несколько большую длины замковой резьбы;

автоматически устанавливает ненагруженный элеватор в заданной позиции для захвата очередной свечи из-за пальца вышки.

Наиболее сложные функции крюк выполняет при работе с бурильными колоннами, и это определяет его конструкцию. Буровой крюк выполнен из двух частей: трех рогов, захватывающих штропы элеватора и вертлюга, и корпуса крюка, в котором размещены его механизмы. Центральный рог крюка служит для захвата штропа вертлюга, два боковых — для штропов элеватора. Это позволяет быстро снимать и надевать на крюк вертлюг при переходе от бурения к операциям по спуску и подъему, причем штропы элеватора остаются висеть на крюке, что облегчает работу обслуживающего персонала. В корпусе крюка размещаются упорный подшипник, ствол, пружина, амортизатор и другие устройства.

Подшипник служит для обеспечения поворота крюка при захвате свечей или элеватора во время СПО. Пружина необходима для автоматического извлечения ниппеля из муфты замка свечи при ее отвинчивании. Ход крюка s должен быть несколько больше длины резьбы замка (от 130 до 230 мм), а усилие пружины — больше веса свечи (в разжатом состоянии от

13 до 30 кН, а в сжатом — от 25 до 50 кН).

Гидравлический амортизатор необходим для того, чтобы исключать подскок свечи и порчу ее резьбы после развинчивания. Крюк также следует снабжать позиционером, устанавливающим ненагруженный захватывающий рог в положение, удобное для работы верхнего рабочего при захвате или освобождении элеватора от очередной свечи при СПО.

Буровые крюки классифицируют по максимально допустимой нагрузке и конструктивному исполнению — трех- и двурогие. Двурогие крюки при-

660

Рис. 15.10. Литой крюк с гидроамортизатором и позиционером:

1 — захват; 2 — защелка главного рога; 3 — ствол; 4 — гайка; 5 — позиционер; 6, 9 — стопоры; 7 — корпус; 8 — подшипник упорный; 10 — диск; 11 — крышка; 12 — поршень гидроамортизатора; 13, 16 — стаканы; 14, 15 — пружины; 17 — серьга; 18, 19 — оси; 20 — пробка; 21 — крышка

меняют только для спуска обсадных колонн; для бурильных колонн используют трехрогие крюки, которые должны быть надежны, легки и удобны в эксплуатации.

Буровые крюки по конструктивному оформлению выполняют двух видов: с захватывающей трехрогой частью, жестко соединенной со стволом, или с захватывающей частью, укрепленной к стволу шарнирно при помощи пальца (рис. 15.10). Каждая из этих конструкций имеет свои преимущества и недостатки, и выбор того или иного решения зависит от технологических возможностей завода-изготовителя.

Шарнирное укрепление захватывающей части позволяет сменять ее без демонтажа ствола и корпуса крюка, однако при высоком качестве изготовления это преимущество не играет большой роли. Крюки, у которых ствол и захватывающая часть составляют как бы одно целое, имеют значительно меньшую высоту, что позволяет применять их с вышками меньшей высоты.

Однорогие крюки используют в передвижных буровых установках небольшой мощности, когда масса крюка и штропов не имеет большого значения.

По способу изготовления крюки подразделяются на кованые, составные пластинчатые и литые из стали. Буровые крюки из стального литья применяют для максимальных нагрузок 1,2 —1,4 МН; для больших нагрузок используют составные пластинчатые крюки.

На рис. 15.10, приведена удачная конструкция трехрогого литого крюка для максимальной нагрузки 1,4 МН с шарнирной подвеской грузозахва-

тывающего рога. Крюк имеет защелку главного захвата большой длины с легкоуправляемым автоматически закрывающимся запорным устройством; защелка центрального рога может быть открыта только оператором.

Крюки можно соединять с талевым блоком шарнирно при помощи серьги, шарнирной промежуточной подвески или штропа.

В настоящее время буровые установки на максимальные нагрузки до 3,2 МН оборудуют крюкоблоками, а для больших нагрузок — крюками, шарнирно соединяемыми с талевым блоком.

Крюкоблоки выполняют двух видов: с шарнирным соединением крюка с талевым блоком и с жестким соединением крюка и его захватывающей части с талевым блоком (рис. 15.11). Последнее конструктивное решение позволяет получить крюкоблок меньшей общей высоты по сравнению с вариантом шарнирного крепления крюка с талевым блоком.

Требования к материалам деталей крюков, являющихся весьма ответственным элементом подъемного комплекса, очень высок, так как их поломка почти всегда связана с тяжелыми авариями на буровой.

Тело крюка и другие грузонесущие детали изготовляют из среднеуглеродистых слаболегированных сталей, не обладающих хрупкостью и менее склонных к развитию усталостных трещин.

В табл. 15.2—15.4 приведены основные параметры элементов талевого механизма.

Трехрогие крюки выполняют литыми или составными, так как штамповка трехрогого крюка весьма сложная. Литые крюки изготовляют из легированного стального литья 30ХМЛ со следующими механическими свойствами: предел текучести стт = 550 МПа, временное сопротивление ств = = 700 МПа, ударная вязкость ан = 40 Дж/см2.

Штропы изготовляют из стали 30ХГСА (ГОСТ 4543 — 74) или 35ХНМ (ГОСТ 1050 — 74), корпусы крюков — из литых сталей 30Л, 35Л (ГОСТ 97 — 75).

Таблица 15.2

Техническая характеристика кронблоков для установок ОАО «Уралмашзавод»

Буровые установки с ручной расстановкой свечей

Показатель

УКБ-6-250

УКБ-6-270

УКБ-7-400

(ЗД86-1)

УКБ-7-400

(ЗД86-2)

УКБ-7-500

Схема кронблока

Б

Б

Е

Е

А

Максимальная нагрузка, кН

2500

2700

4000

4000

5000

Число канатных шкивов

6

6

7

7

7 + 2

Диаметр каната, мм

28

32

32

32

35

Наружный диаметр шкива, мм

1000

1120

1120

1120

1400

Диаметр шкива по дну канавки, мм

90

1000

1010

1010

1285

Диаметр оси, мм

220

220

260

260

280

Подшипник шкива

97744ЛМ,

42244, роли-

7097152М конический

7097556М

Габариты, мм:

конический

двухрядный

220x340x100

ковый ци-линдриче-ский

220x400x65

двухрядный

260x400x104

конический

двухрядный

280x420x110

длина

3180

2320

2220

3230

6815

ширина

2606

1440

1460

3190

2440

высота

1335

1322

1590

2440

2200

Масса, кг

3885

3430

3560

6400

9515

Показатель

Буровые установки с ручной расстановкой свечей

УКБА-6-250

УКБА-6-400

УКБА-7-500

УКБА-7-600

УКБА-7-

(UN0C500)600

Схема кронблока

В

В

А

Д

А

Максимальная на

2500

4000

5000

6000

6000

грузка, кН

Число канатных

6

6

7 + 2

7

7 + 2

шкивов

Диаметр каната, мм

28

35

35

38

38

Наружный диаметр

1000

1400

1400

1500

1500

шкива, мм

Диаметр шкива по

900

1285

1285

1365

1375

дну канавки, мм

Диаметр оси, мм

220

280

280

380

280

Подшипник шкива

97744ЛМ,

7097156М, конический

1097976К,

7097156М,

конический

двухрядный

конический

конический

двухрядный

280x420x110

двухрядный,

двухрядный,

220x340x100

380x520x150

280x420x110

Габариты, мм:

длина

4390

4390

6750

5090

6920

ширина

2820

3190

3130

2250

3250

высота

1810

2200

2192

2240

2360

Масса, кг

5170

8040

9925

11 683

11 855

Таблица 15.3

Техническая характеристика крюкоблоков для установок ОАО «Уралмашзавод»

Крюкоблок

Показатель

УТБК-5-225

(НБО-Д,

НБО-Э)

УТБК-6-320

(3Д86-1,

3Д86-2)

УТБК-6-450

УТБК-5-225

УТБК-5-320

Максимальная нагрузка на крюке, кН

2250

3200

4500

2250

3200

Число канатных шкивов

5

6

6

5

5

Диаметр каната, мм

32

32

35

28

35

Наружный диаметр шкива, мм

1120

1120

1400

1000

1400

Диаметр шкива по дну канавки, мм

1000

1010

1285

900

1285

Диаметр оси шкива, мм

220

260

280

220

280

Исполнение крюка

Пластинчатый

Литой

Пластинчатый

Литой

Ход пружины крюка, мм

145

200

200

145

200

Подшипник шкива

42244,

7097152М,

7097156М,

97744ЛМ,

7097156М,

роликовый

конический

конический

конический

конический

двухрядный,

двухрядный,

двухрядный,

двухрядный,

двухрядный,

220x440x65

260x400x104

280x420x110

220x340x100

220x340x100

Масса, кг

Размеры (см. рис. 15.11), мм:

6100

7520

8500

5320

7970

H1

670

710

843

610

850

H2

1320

1780

875

1260

875

Н

1430

1260

1612

1430

1612

Н

3280

3540

3507

3190

3507

Н

3950

4250

4350

3800

4090

B

1170

1160

1450

1060

1450

B1

320

300

700

320

700

B2

630

630

960

630

960

A

1125

1174

860

1010

860

A1

665

665

520

665

520

Показатель

Крюкоблок

УТБК-5-225

(НБО-Д,

НБО-Э)

УТБК-6-320

(3Д86-1,

3Д86-2)

УТБК-6-450

УТБК-5-225

УТБК-5-320

D

220

220

200

220

200

3i

210

210

210

210

210

З2

150

150

150

150

150

d

150

120

120

150

120

Таблица 15.4

Техническая характеристика талевых блоков для работы с АСП

Талевый блок

Показатель

УТБК-5-200

УТБК-5-320

УТБКА-6-400

УТБКА-6-500

УТБКА-6-500

(БУиЫОС

500ДЕ)

Максимальная на

2000

3200

4000

5000

5000

грузка на крюке, кН

Число канатных

5

5

6

6

6

шкивов

Диаметр каната, мм

28

35

35

38

38

Число осей для ус

2

2

2

2

2

тановки шкивов Наружный диаметр

1000

1400

1400

1500

1500

шкива, мм Диаметр шкива по

900

1285

1285

1365

1375

дну канавки, мм Диаметр оси шки

220

280

280

380

280

ва, мм

Подшипник шкива: тип

КД97744ЛМ

КД709

7156М

КД1097976К

КД7097156М

размеры

220x340x100

280x420x110

380x520x150

280x420x110

Габариты, мм: высота

2215

2705

2735

2845

2845

ширина

1318

1485

1430

1710

1570

Масса, кг

4250

6850

7720

10 580

7420

В пластинчатых крюках пластины среднего рога толщиной до 30 мм выполняют из легированной конструкционной крюковой стали со следующими механическими свойствами: предел текучести стт > 700 МПа, временное сопротивление ств > 900 МПа, ударная вязкость ан > 60Дж/см2, твердость НВ 203 — 321. Пластины соединяют между собой заклепками. Подушку изготовляют из стального литья 35ХН (ГОСТ 4543 — 71) или др. Оси для подвешивания штропов элеватора выполняют из стали 38Х2Н2МА или 40ХН (ГОСТ 4543-71).

15.7. ТАЛЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ

БУРОВЫХ УСТАНОВОК ОАО «УРАЛМАШЗАВОД»

Элементы талевого механизма (кронблоки, талевые блоки, крюки) имеют оптимальные соотношения диаметров канатного шкива и талевого каната. Канавки канатных шкивов обработаны ТВЧ. Оси шкивов и крюки выполнены из легированной стали высокой прочности. В качестве опор шкивов использованы подшипники с высокой долговечностью.

Крюки литой конструкции позволяют выполнить крюкоблоки меньших габаритов по радиусу вращения и встроить удлиненную литую защелку для автоматического захвата штропов вертлюга. Небольшие габариты по радиусу вращения, наличие гидроамортизатора и ориентира обеспечивают удобство работы при расстановке свечей.

В зависимости от требований заказчика талевые механизмы поставляются в двух модификациях: для ручной расстановки свечей и для использования в комплекте с механизмами типа АСП, включая автоматический элеватор.

15.8. ТАЛЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ

БУРОВЫХ УСТАНОВОК ВЗБТ

Элементы талевого механизма (кронблок, талевый блок, крюк) буровых установок ВЗБТ имеют следующие особенности:

приняты оптимальные соотношения диаметров канатного шкива и талевого каната, гарантирующие высокую долговечность талевого каната;

канавки канатных шкивов кронблока и талевого блока обработаны ТВЧ;

оси шкивов выполнены из легированной стали высокой прочности и износостойкости;

литая конструкция крюка, изготовленная из стали, высокой прочности, обеспечивает минимальную массу и удобство работы верхового рабочего;

благодаря специальному механизму можно быстро провести перепуск талевого каната, что значительно увеличивает его долговечность.

В табл. 15.5, 15.6 приведены основные параметры элементов талевого механизма.

Таблица 15.5

Техническая характеристика кронблоков для установок ВЗБТ

Показатель

Кронблок

Сб. 10А/БУ2500ЭУ

Б4.10.00.000

Б1.10.00.000

Б38.10.00.000

М11.01.10.000

Схема кронблока

а

б

в

в

г

Допускаемая нагрузка, кН

1750

1000

1750

2000

1000

Число канатных шкивов

5+1

5

5+1

5+1

5

Диаметр каната, мм

28

25

28

32

25

Наружный диаметр шкива, мм

1000

900

1000

1000

760

Диаметр шкива по дну канавки, мм

90

800

900

900

660

Диаметр оси шкива, мм Габаритные размеры, мм:

170

170

170

170

170

длина

2680

910

2120

816]

1500

ширина

1046

950

910

1000 > Для секции

1000

высота

1400

950

1080

1080

1000

Масса, кг

2260

1100

1470

2263

1180

Примечание. Подшипники шкива — (ГОСТ 8328-75), 170x310x52.

цилиндрический роликоподшипник 42234

Крюкоблок

Показатель

Сб. 11Б/БУ2500ЭУ, Б31.11.00.000 Б38.11.00.000)

М11.14.00.000

Допускаемая нагрузка на крюке, кН

1750(2000)

1000

Число канатных шкивов

4

4

Диаметр каната, мм

28(32)

32

Число осей для установки шкивов

1

1

Наружный диаметр шкива, мм

1000

760

Диаметр шкива по дну канавки, мм

900

660

Диаметр оси шкива, мм

170

170

Исполнение крюка

Литой

Ход пружины крюка, мм

140

140

Габаритные размеры, мм:

длина

3264

2750

ширина

660

800

высота

1050

650

Масса, кг

3790

3000

Размеры, мм:

Н1

675

420

Н2 + Н3

2264

2013

Н0

2589

2328

Н

3260

2750

B

1050

800

B1

380

420

B2

660

660

A

652

650

A1

385

385

D

170

170

З1

210

210

З2

150

150

d

110

110

Примечание. Подшипники: шкивов — 42234 (ГОСТ 8328-опорный 8308, 40x75x26 и опорный 889736, 180x300x95.

-75), 170x310x52; крюка —

Характеристика талевого блока и крюка для БУ1600/100ДГУ и БУ1600/100ЭУ

Талевый блок Б4.15.00.000

Буровая вышка представляет собой металлическое сооружение над устьем скважины, предназначенное для установки талевого механизма, устройств для механизации спускоподъемных операций и размещения бурильных свечей. От технического совершенства буровой вышки существенно зависят монтажеспособность и транспортабельность буровой установки, а также эффективность и безопасность бурения. Отказы буровой вышки могут вызвать тяжелые последствия, поэтому надежность и прочность — первостепенные требования, предъявляемые к буровым вышкам. Эти качества должны сочетаться с технологичностью и легкостью вышек, способствующих повышению экономичности и ускорению вышкомонтажных работ.

Согласно требованиям безопасности конструкция и крепление вышки к основанию или фундаменту должны обеспечить надежность и безопасность ее эксплуатации при отсутствии оттяжек. В конструкции вышки должны быть предусмотрены кронблочная, верхняя рабочая и переходные площадки с маршевыми лестницами и стремянками от пола буровой до кронблока.

Верхняя площадка должна быть оборудована передвижной люлькой для рабочего, занятого установкой бурильных свечей при спускоподъемных операциях. Козлы для замены кронблока и монтажный ролик на верхнем основании вышки рассчитываются на подъем полуторакратной массы кронблока. Геометрические формы буровых вышек и отдельных ее элементов должны обладать минимальными аэродинамическими сопротивлениями с целью снижения ветровых нагрузок.

Буровые вышки подразделяются на башенные и мачтовые. В зависимости от способа спускоподъемных операций различают буровые вышки с устройствами для ручной и механизированной расстановки свечей.

Башенные вышки изготовляются с гибкой (рис. 15.12, а) и жесткой (рис. 15.12, б) решетками. Известны конструкции башенных вышек, ноги которых изготовлены из сварных четырехгранных ферм (рис. 15.12, в) либо из труб большого диаметра (рис. 15.12, г). Вышки этих типов называют пилонными. Независимо от конструктивной схемы башенные вышки характеризуются высокой жесткостью и сопротивляемостью кручению под действием момента сил, создаваемого натяжением неподвижной и ходовой струн талевого каната. Однако вследствие большого числа болтовых соединений сборка башенных вышек сопряжена с большой трудоемкостью. Отсутствие связей между ногами пилонных вышек способствует повышению их монтажеспособности и улучшает обзор вышки со стороны мостков.

Мачтовые вышки (рис. 15.12, д) имеют А-образную форму и благодаря сварной конструкции секций ног обладают высокой монтажеспособностью. Ноги вышки имеют треугольное 1 и 2, четырехугольное 3 либо кольцевое 4 сечение. При одинаковых размере В и площади поперечных сечений наибольшим сопротивлением изгибу и кручению обладают вышки, имеющие четырехугольное сечение ног. Это обусловлено тем, что моменты инерции сечений 1, 2, 3 относительно оси изменяются пропорционально отношениям 1:1,35:1,50. Вышки с четырехугольным сечением ног наиболее материалоемкие. Вышки с кольцевым сечением ног изготовляются из труб большого диаметра, что приводит к их утяжелению. Жесткость и монтажеспособ-

Рис. 15.12. Конструктивные схемы буровых вышек

ность хорошо сочетаются в буровых вышках с открытой передней гранью, имеющих четыре (рис. 15.12, е) либо две опоры (рис. 15.12, ж) и П-образную форму поперечного сечения.

Буровые вышки изготовляют из труб, уголков, швеллеров и круглого проката. Для несущих элементов предпочтительнее применять трубчатые профили, которые по сравнению с другими видами профилей обладают более высоким радиусом инерции и придают вышке благоприятные аэродинамические свойства, способствующие снижению ветровых нагрузок на вышку.

Башенная вышка (рис. 15.13) представляет собой четырехгранную усеченную пирамиду, состоящую из четырех наклонно расположенных ног 6, связанных между собой поясами 8 и гибкими диагональными тягами 7.

В рассматриваемой конструкции ноги и пояса вышки изготовлены из труб, а диагональные тяги — из круглого стального проката. На наголовнике вышки устанавливаются цельносварная подкронблочная рама, козлы 1 и подкронблочная площадка 2. Козлы снабжены блоком, используемым при монтаже вышки, замене кронблока и подъеме других тяжестей. Балконы 4 и 5 предназначены для работы второго помощника бурильщика (верхового) при ручной расстановке бурильных свечей длиной 36 и 27 м.

Каждый балкон состоит из четырех площадок 10, каркаса укрытий и оборудован пальцами 12 с шарнирной головкой для установки свечей и люлькой 11 для верхового, размещенной относительно оси скважины на расстоянии, достаточном для прохода талевого блока. На высоте около 15 м находится площадка для обслуживания стояка манифольда буровых насосов и бурового рукава.

Согласно требованиям безопасности, ширина площадок буровой вышки должна быть не менее 750 мм. Площадки имеют металлический настил из просечно-вытяжного листа (чтобы предотвратить скольжение), перила высотой не менее 1200 мм с продольными планками и прилегающий к настилу борт высотой 150 мм. Вышка снабжена маршевыми металлическими лестницами 3 шириной не менее 650 мм с переходными площадками и ограждениями в виде перил высотой не менее 1000 мм. На двух противо-

Рис. 15.13. Башенная вышка

положных гранях имеются ворота 9 для затаскивания необходимого оборудования.

Ноги вышки собираются из стоек, которые стыкуются болтовыми фланцами, приваренными к их торцам. Для удобства сборки и центрирования торцы стоек снабжены конусными направляющими. Нижние стойки ног имеют опорные плиты и кронштейны для домкратов, используемых при центрировании вышки. Известны другие способы соединения стоек ног вышки (фланцевое соединение на полухомутах и откидных болтах, соединения «торец в торец», стяжными болтами и др.). В соединениях без фланцев в результате деформации контактирующих поверхностей при перебазированиях и разборках вышки происходит ослабление посадок в стыках.

Пояса и диагональные тяги болтами соединяются с приваренными к ногам вышки косынками 13. Стойки ног и пояса вышки изготовляют из труб, диагональные тяги — из круглого проката. В другой модификации, отличающейся жесткой комбинированной крестовой решеткой, ноги вышки изготовляют из двух крестообразно расположенных угольников, а пояса и раскосы — из угольников меньшего размера.

В пилонной вышке аналогичной высоты и грузоподъемности стойки ног изготовляют из труб большого диаметра и соединяются посредством литых стальных фланцев, приваренных к торцам стоек. Верхние концы ног пилонной вышки шарнирно соединяются с подкронблочной рамой. Взаимное положение ног и жесткость вышки обеспечиваются диагональными винтовыми стяжками, соединяющими верхние стойки ног, и горизонтальными винтовыми тягами, расположенными в средней и нижней частях вышки. Опоры ног пилонной вышки выполнены в виде конуса с проушиной, закрепляемой в специальной стойке на фундаменте. Башенные вышки монтируются преимущественно сверху вниз посредством специальных вышечных подъемников.

Мачтовая А-образная вышка (рис. 15.14) состоит из двух ног, несущих основную нагрузку, и подкосов 5, удерживающих вышку в рабочем положении. В зависимости от высоты вышки каждая из труб 2 либо профильного проката, либо цилиндрическая. Секции стыкуются посредством фланцевых соединений. Для ускорения сборки вместо фланцевых соединений применяются полухомуты. Верхние секции имеют проушины для соединения с подкронблочной рамой, на которой установлены козлы и площадка 1 для обслуживания и ремонта кронблока.

В зависимости от схемы подъема и конструкции вышки подкосы 5 располагаются со стороны мостков либо на противоположной стороне и посредством проушин соединяются с ногами вышки. Ноги 4 вышки шарнирно соединяются с опорой, центрирующей вышку относительно оси ротора. Балкон 3 для второго помощника бурильщика и магазин для свечей крепятся к ногам вышки кронштейнами.

Стояк манифольда буровых насосов располагается внутри ноги вышки. Для обслуживания и смены бурового рукава внутри ноги вышки имеется небольшая площадка. Маршевые лестницы 6 монтируются на гранях одной из ног вышки и доходят до балкона. Внутри ноги вышки устанавливаются лестницы туннельного типа.

А-образную и другие мачтовые вышки собирают в горизонтальном положении на специально подготовленной площадке, достаточной для расположения собранной вышки и необходимого для ее монтажа оборудования. В вертикальное положение вышку поднимают при помощи стрелы и блоков, оснащенных канатом, ходовой конец которого крепится к барабану буровой лебедки, либо трактора-подъемника. В буровых установках универсальной монтажеспособности для подъема вышки используется специальный механизм подъема, представляющий собой достаточно жесткую П-образную раму с двумя подкосами и полиспастом. С помощью буровой лебедки, приводимой от регулятора подачи долота, и полиспаста механизма подъема вышка устанавливается в рабочее положение и крепится к подкосам, придающим вышке устойчивость при эксплуатации.

Рис. 15.14. Мачтовая А-образная вышка

При подъеме из скважины бурильные свечи нижним концом устанавливают на подсвечник. Верхний конец свечей заводят в так называемый магазин, и они упираются в палец. Межу пальцем и люлькой имеется просвет для свободного прохода труб наибольшего диаметра. Пальцы изготовляют из толстостенных труб, они имеют шарнирную головку, которая поворачивается при случайных ударах талевого блока, благодаря чему предотвращается поломка пальца.

Мачтовые буровые вышки для буровых установок ОАО «Уралмашзавод» изготовляются следующих типов: А-образные (ВМ), П-образные (ВМП) и четырехопорные (ВУ).

Показатель

А-образные вышки

П-образные

вышки

ВМА-45х200

ВМР-45х200У

ВМР-45х320,

ВМА-45х320

ВМП-45х320

Допускаемая нагрузка на крюке, кН

2000

2000

3200

3200

Рабочая высота (расстояние от ротора до подкрон-блочной рамы), м

45

45

45

45

Нагрузка на крюке при испытании, кН

2400

2400

3840

3840

Расстояние между ногами, м

10,3

10,3

10,3

-

База нижняя (расстояние между осями опорных шарниров), м

2,6х10,3

Длина свечи, м

25-27

25-27

25-27

25-27

Диаметр и толщина трубы, мм

140х8

140x8

140х14

Профиль уголка

-

-

-

200х200х17

Соединение секций между собой

Пальцевое

Фланцевое

Длина секций, м

11 940

11 940

11 940

11 900- 12 750

Габариты сечения ноги, м Размеры, мм:

1640x2440

1640x2440

1640х2440

1800х3000

H

44 800

44 800

44 800

44 800

Hi

6200

7200

8200

8200

H2

3550

4750

5300

2400

Нз

4600

4600

4600

4100

Hi

16 750

17250

17 750

17 350

A

10 300

10 300

10 300

10 300

Ai

-

-

-

2600

B

620

650

630

250

Bi

Масса, кг:

9 880

9 635

4 450

5 250

секции (максимальная)

3795

3483

4475

7010

вышки

36 290

30 766

41 050

69 450

Система подъема вышки

Буровой лебедкой с помощью специального приспособления

Таблица 15.8

Параметры четырехопорных мачтовых вышек

Показатели

ВУ-45х400А, ВУ-45х450

ВУ-45х500

Допускаемая нагрузка на

4000/4500

5000

крюке, кН

Рабочая высота (расстояние

45

45

от ротора до подкронблочной

рамы), м

Нагрузка на крюке при испы

4800/5400

6000

тании, кН

Расстояние между ногами, м

11х8

11х8

Длина свечи, м

25-27

25-27

Применяемый профиль угол-

ка:

верхней части

250х250х16

250х250х16

нижней части

160х160х14

160х160х14

Число секций

12

12

Показатели

ВУ-45х400А, ВУ-45х450

ВУ-45х500

Соединение секций между

Фланцевое на болтах

собой

Длина секций, м

12 865-9 925

12 865-9 925

Размеры сечения ног вышки,

1840x2340

1840x2340

мм

Размеры, мм:

Н

44 800

44 800

H1

8 200

10 200

H2

8 300

10 300

Нз

5 000

5 000

Hi

20 000

20 000

Н

1600

1900

Нб

4136

4950

A

8000

8000

B

11 000

11 000

Масса, кг:

секции (максимальная)

6400

6400

вышки

63 000

63 000

Система подъема вышки

Буровой лебедкой с помощью полиспаста

б

Рис. 15.15. Буровые вышки мачтового типа:

а - А-образные; б - П-образные

Показатель

Б4.01.00.000

Сб.01/БУ2500ЭУ

Б1.01.00.000,

Б11.01.00.000,

Б11.01.00.000-01

Б12.01.00.000

Б12.01.00.000-01

Буровые установки, в которых использованы буровые вышки

Допускаемая нагрузка на крюке, кН

Нагрузка на крюке при испытании, кН

Рабочая высота (расстояние от стола ротора до подкронблочной рамы), м Длина свечи, м Расстояние между ногами, м Сечение ноги вышки Число секций

Диаметр и толщина трубы, мм Соединение секций между собой

Габариты сечения ноги, мм Наличие маршевых лестниц Размеры, мм:

H

H1

H2

H3

Hi

H5

A

B

Масса, кг:

секции (наибольшая) вышки (без механизма подъема)

вышки (с механизмом подъема)

Полезная площадь магазинов, м2

Система подъема вышки

БУ1600/100ДГУ,

БУ1600/100ЭУ

1000

1200

38,8

25—27

7,5

Трехгранное

8

140x6

Фланцево

1640x1640x1620

38 800 5300(8300) 3300(6300)

3300 12 800(15 800) 3030(6030)

7500

5855

1544 15 200

21 800

3,23

БУ2900/175ДГУМ1

1750

2100

42,1

25—27

9,0

Четырехгранное

8

140x6

-хомутовое

1640x2140

Имеются

42 400 5800 3300 4100 11 800 2600 900 2865

2520 33 300

42 700

4,38

От буровой лебедк

БУ2900/175ЭП-М, БУ2900/175ДЭП-1, БУ2900/175ЭК 1750

2100

40,8

25—27

7,5

Трехгранное

140x12

Секций —

1640x1640x1620

40 800 5800 3300 3370 15 800 3030 7500 5800

1980 18 500— 18 700

26 300—26 600

4,28

и через систему специ

БУ2900/175ЭПБМ1

1750

2100

41,6

25—27

6,5

Четырех

140x12 фланцевое, наголовник

1682x2183

Имею

41 640 6000 2800 4823 13 900 9055 6500 3300

4527 31 520

33 872

4,66

[ального полиспаста

БУ2900/200ЭПК

2000

2400

41,6

25—27

6,5

гранное

140x12 — на осях

1682x2183

зтся

41 640 8000 4800 4823 15 900 11 055 6500 3300

4527 31 520

33 881

4,66

Рис. 15.17. Буровые вышки ВЗБТ:

а - Б4.01.00.ООО; 6- С6.01/2500ЭУ; в-типа Б1, Б11, Б12

А-образные вышки применяются в буровых установках классов 3200/200 и 5000/320, П-образные — в буровых установках класса 5000/320.

Четырехопорные мачтовые вышки используются в буровых установках классов 6500/400 и 8000/500. Обладая жесткостью башенных, вышки этого типа сохранили монтажные качества мачтовых вышек. Оригинальная схема подъема предусматривает использование в качестве устройства для подъема вышки буровой площадки. Вышки такого типа обеспечивают одновременное размещение двух комплектов свечей: для работы с механизированной их расстановкой с одной стороны и для работы с ручной расстановкой — с другой.

Подъем и опускание вышек осуществляются буровой лебедкой с помощью специальных устройств.

Внутри одной ноги вышки имеются лестницы тоннельного типа до подкронблочной площадки, внутри второй ноги — лестницы маршевого типа с переходными площадками (до платформы верхового рабочего).

В табл. 15.7 и 15.8 приведены основные параметры, на рис. 15.15 и 15.16 — конструкции вышек ОАО «Уралмаш», а в табл. 15.9 и на рис. 15.17 — вышек ВЗБТ.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К БУРОВЫМ ЛЕБЕДКАМ

Буровые лебедки выполняют следующие функции: натяжение и наматывание на барабан ведущей ветви каната талевой системы при подъеме и торможении, а также сматывание каната при спуске и наращивании бурильных и обсадных колонн и ненагруженного крюка с элеватором. Лебедки также натягивают вспомогательные канаты при свинчивании и развинчивании колонн (при отсутствии специальных ключей), подъеме и спуске грунтоносок и подъеме различных грузов, оборудования и вышек в процессе монтажа и демонтажа установок.

Лебедки могут быть также предназначены для передачи вращения ротору и подачи бурильной колонны во время бурения.

Спуск и подъем бурильных колонн производят много раз, все операции повторяются систематически в строго определенной последовательности, а нагрузки на лебедку при этом носят циклический характер. При подъеме крюка мощность подводится к лебедке от двигателей, а при спуске, наоборот, тормозные устройства должны преобразовывать всю освободившуюся энергию в теплоту. Для лучшего использования мощности во время подъема крюка с переменной по величине нагрузкой приводные трансмиссии лебедки или ее привод должны быть многоскоростными.

Лебедка должна оперативно переключаться с больших скоростей подъема на малые скорости и обратно, обеспечивать плавное включение с минимальной затратой времени на эти операции. В случаях прихватов и затяжек колонн сила тяги при подъеме должна быть быстро увеличена. Переключение скоростей для подъема колонн различного веса осуществляется периодически.

Канат на барабан лебедки при спуске и подъеме в зависимости от нагрузки, скорости крюка и числа ветвей в талевой оснастке должен навиваться и свиваться с различными скоростями. Скорость наматывания каната на барабан при подъеме колонн наибольшего веса должны быть в пределах 3 — 5 м/с, а при подъеме ненагруженного элеватора — в пределах 12 — 20 м/с. Более высокие скорости ухудшают условия намотки каната на барабан и не дают существенного выигрыша во времени при подъеме. Наибольшая скорость разматывания каната при спуске бурильных колонн не должна превышать 30 м/с.

В процессе бурения с помощью лебедки осуществляют спуск (подача) бурильной колонны со скоростью, составляющей десятитысячные или сотые доли метра в секунду, и подъем для разгрузки долот со скоростью до

1 м/с.

В процессе подъема колонн канат навивается на барабан лебедки с натяжением от действия веса колонны, а свивается при спуске ненагруженного элеватора под небольшим натяжением. В процессе спуска колонн, наоборот, канат навивается при небольшом натяжении и большой скорости во время подъема ненагруженного элеватора, а свивается при натяжении от веса всей колонны.

В связи с этим необходимо обеспечить упорядоченную укладку каната на барабан при его намотке во избежание врезания ведущей ветви между рыхлоуложенными витками каната нижележащих слоев.

Для выполнения перечисленных функций буровая лебедка должна быть снабжена следующими органами и устройствами:

станиной-рамой, на которой монтируются все механизмы лебедки; барабаном для навивки талевого каната;

механическим ленточным тормозом (основной — стопорный) для замедления движения и остановки крюка в любом месте по высоте вышки (при отсутствии в конструкции лебедки специальных устройств для регулирования скорости подачи колонны во время бурения эти функции должны осуществляться также ленточным тормозом);

тормозом замедления (вспомогательным) для регулирования скорости спуска колонн и рассеивания части энергии, выделяющейся при этом;

оперативными фрикционными муфтами включения высоких и низких частот вращения барабана лебедки (называемых «тихой» и «быстрой»);

трансмиссией, осуществляющей передачу мощности и вращения барабану лебедки при подъеме;

катушечным валом, оборудованным катушками для выполнения с их помощью вспомогательных работ (свинчивание и развинчивание труб, подъем грузов и т.д.);

вспомогательным барабаном, который смонтирован на катушечном валу и служит для намотки каната при тартальных работах по извлечению грунтоносок и др.;

пультом для управления лебедкой и всеми агрегатами буровой установки;

щитом приборов для контроля работы лебедки и других органов установки;

промежуточным валом для передачи вращения ротору при цепных трансмиссиях.

Лебедка представляет собой отдельный агрегат с жестким металлическим корпусом, смонтированным на раме-салазках для обеспечения быстрого монтажа, демонтажа и транспортировки.

Вал с главным барабаном, передачами и муфтами включения смонтирован в корпусе, обеспечивающем необходимую герметичность, прочность и жесткость конструкции и предохраняющем от попадания грязи в трансмиссии и подшипники.

Механический (главный) тормоз обеспечивает прогрессивно увеличивающееся и плавное торможение барабана. В соответствии с требованиями техники безопасности тормоз монтируется непосредственно на барабане; его ленты должны плотно охватывать тормозные шкивы при торможении и обеспечивать свободное вращение барабана при спуске и хороший отвод теплоты, выделяющейся при торможении. Лебедку снабжают вспомогательным тормозом для обеспечения регулирования момента торможения и поглощения части энергии, выделяющейся при спуске колонн. Вспомогательный тормоз должен осуществлять торможение барабана только при спуске колонн, а при подъеме, при вращении барабана в обратном направлении, торможение должно быть исключено.

Кинематическую связь между валами буровых лебедок лучше осуществлять цепными передачами и только в легких самоходных установках — зубчатыми передачами.

Пульт управления и щиты приборов следует располагать так, чтобы бурильщик мог удобно и просто управлять лебедкой и всем оборудованием буровой установки и, не меняя своей позиции, иметь хороший обзор рабочей площадки и оборудования в процессе работы.

Конструкция лебедки должна позволять выполнять непосредственно на буровой с минимальными затратами времени мелкие ремонтные работы (смену тормозных колодок, смену талевого каната, цепей и др.). Лебедки должны обеспечивать надежную и бесперебойную работу на буровой в течение всего периода проводки скважины. До поступления в ремонт лебедка должна наработать не менее 3000 ч.

В зависимости от комплекса выполняемых работ лебедки могут быть универсальными, предназначенными для всех работ, связанных со спуском, подъемом и подачей колонн в процессе проводки скважины, и специализированными, выполняющими часть функций (только подъем и спуск колонн). В последнем случае свинчивание, развинчивание, подъем и спуск небольших грузов, грунтоносок и другие работы выполняют с помощью другой вспомогательной лебедки. Первый вид буровых лебедок применяют при их установке на уровне пола буровой, второй вид — при установке их ниже пола буровой. В последнем случае должно быть предусмотрено дистанционное механическое и пневматическое управление, причем лебедку не оборудуют катушечным валом для вспомогательных работ, так как эти работы должна выполнять вспомогательная лебедка, устанавливаемая на уровне пола буровой. Вспомогательную лебедку оборудуют катушками, барабаном для навивки вспомогательного или тартального каната и другими устройствами, а ротор приводится либо через вспомогательную лебедку, либо от индивидуальных двигателей.

Буровые лебедки классифицируют по величине тягового усилия на ведущей ветви каната, мощности, передаваемой на барабанный вал, мощности тормозов, числу барабанов и валов. Кинематические схемы и конструктивное оформление лебедок могут быть весьма разнообразными.

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ, УСТРОЙСТВО

И ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕБЕДОК

Кинематические схемы буровых лебедок с помощью условных обозначений демонстрируют совокупность, связи и соединения их кинематических элементов. На рис. 15.18 приведена кинематическая схема одно-вальной буровой лебедки III с коробкой перемены передач II, регулятором подачи долота I и трансмиссией IV ротора. Рассматриваемая схема используется в лебедке ЛБУ-1100М1 и является характерной для современных отечественных и зарубежных буровых лебедок. Подъемный вал 25 лебедки приводится цепными передачами 3 и 26 от приводного вала 4 и промежуточного вала 24 коробки перемены передач II, трансмиссионный вал 21 которой соединяется с приводом муфтой 22 и передает три прямые скорости (цепные передачи 12, 16, 17) и одну обратную (зубчатая передача 20, 23).

Цепная передача 3 (81/21) включается шинно-пневматическими муфтами 2 и 9 под давлением воздуха, поступающего через вертлюжки на торцах соединяемых валов. Посредством этой передачи подъемному валу лебедки сообщаются «тихие» скорости I, II, III в зависимости от частоты вращения вала 24 коробки перемены передачи, переключаемой кулачковыми муфтами 18, 19, 13, 14 и 15. Цепная передача 26 (40/39) включается шиннопневматической муфтой 27 через вертлюжок на правом торце подъемного вала. При этом скорости вращения IV, V, VI («быстрые») вала 24 передаются подъемному валу.

Лебедка имеет две обратные скорости, передаваемые подъемному валу

Рис. 15.18. Кинематическая схема одновальной буровой лебедки ЛБУ-1100М1

цепными передачами 3 и 26 зубчатым зацеплением 20, 23 коробки перемены передач. Торможение лебедки осуществляется электромагнитным тормозом 29, соединяющимся с подъемным валом кулачковой муфтой 28. Ротор 32 приводится от подъемного вала лебедки цепной передачей 30, включаемой шинно-пневматической муфтой 31. Частота вращения подъемного вала контролируется тахогенератором 1.

В рассматриваемой лебедке подача долота осуществляется автоматически посредством регулятора подачи долота 1, присоединяемого в процессе бурения скважины к подъемному валу лебедки шинно-пневматической муфтой 5 и цепной передачей 3. Регулятор подачи долота, состоящий из электродвигателя 8, муфты 7 и редуктора 6, используется также для подъема колонны труб в случае отказа основного привода. Клиноременная передача 10 служит для вращения масляного насоса. Пневматический тормоз 11 фиксирует положение вала, необходимое для включения кулачковых муфт и зубчатой передачи.

Кинематическая схема двухвальной буровой лебедки показана на рис. 15.19. Эта схема используется в лебедках, приводимых от коробки перемены передач, передающей вращение трансмиссионному валу 5 посредством одной цепной передачи 4 вместо двух передач, принятых в ранее рассмотренной схеме одновальной лебедки. От трансмиссионного вала цепными передачами 3 «тихой» скорости (69/29) и 8 «быстрой» скорости (36/37), ко-

Рис. 15.19. Кинематическая схема двухвальной буровой лебедки

торые включаются шинно-пневматическими муфтами 2 и 7, вращение передается подъемному валу 13 лебедки.

Число скоростей трансмиссионного вала 5 равно числу скоростей коробки перемены передач. На подъемном валу число скоростей удваивается благодаря передачам 3 и 8. Скорость спуска ограничивается гидродинамическим тормозом 10, соединяющимся с подъемным валом кулачковой муфты 9. В отличие от схемы, представленной, на рис.15.18, ротор приводится не от подъемного вала, а от трансмиссионного. Для этого используются передачи 12 и 15, включаемые шинно-пневматической муфтой 11.

Число скоростей ротора в рассматриваемой схеме равно числу скоростей коробки перемены передач. Цепная передача 6 соединяет регулятор подачи долота с трансмиссионным валом 5, от которого вращение передается подъемному валу лебедки цепной передачей 16, включаемой кулачковой муфтой 14. Такую схему имеют шестискоростные лебедки, приводимые от дизелей и электродвигателей переменного тока через трехскоростную коробку перемены передач. Привод тахогенератора 1 — от цепи.

В случае привода от электродвигателей постоянного тока кинематическая схема буровой лебедки упрощается. В отличие от рассмотренной лебедка не имеет коробки перемены передач и подъемный вал посредством эластичных и шинно-пневматических муфт соединяется с двумя противоположно расположенными двигателями. Трансмиссионный вал лебедки служит для передачи вращения подъемному валу при выходе из строя одного из двигателей. Благодаря почти трехкратному снижению частоты вращения мощность одного двигателя оказывается достаточной для выполнения спускоподъемных операций. В процессе бурения трансмиссионный вал используется для передачи вращения от регулятора подачи долота барабану лебедки. Торможение лебедки при спуске колонны труб осуществляется электродвигателями, переходящими на работу в режиме генераторов, и обычным ленточным тормозом.

Трехвальная лебедка (рис. 15.20) состоит из валов: подъемного 15, трансмиссионного 5, катушечного 3 и дополнительного 9 для привода ротора. Лебедка приводится от зубчатой коробки перемены передач с выходными ведущими и ведомыми валами. Ведущий вал коробки перемены пе-

редач соединяется с карданным валом 6, с трансмиссионным валом 5 и посредством цепной передачи (28/25), включаемой шинно-пневматической муфтой 16, передает подъемному валу «быструю» скорость.

Ведомый вал коробки перемены передач имеет четыре скорости. Посредством карданного вала 8 ведомый вал коробки передач соединяется с зубчатым редуктором, у которого также два выходных вала. Один из них соединяется с подъемным валом лебедки шинно-пневматической муфтой 7, а второй — с валом 9 привода ротора 11. Таким образом, лебедка имеет пять скоростей (четыре «тихие» и одна независимая «быстрая»), а ротор — четыре частоты вращения.

Катушечный вал 3 приводится цепной передачей 4, ведущее колесо z = 19 которой на подъемном валу 15 сблокировано со свободно посаженным цепным колесом z = 28 «быстрой» скорости. Таким образом, катушечный ван 3 находится в постоянном зацеплении с быстроходным валом коробки передач. На консоли катушечного вала установлена фрикционная катушка 1 с планетарной зубчатой передачей 2, используемая для вспомогательных работ на буровой.

Привод ротора осуществляется цепной передачей (21/45), включаемой шинно-пневматической муфтой 10. Гидродинамический тормоз 12 и цепное колесо 14 регулятора подачи долота присоединяются к подъемному валу лебедки двусторонней кулачковой муфтой 13.

На рис. 15.21 показан вид сверху буровой лебедки ЛБУ-1100, основные конструктивные элементы которой повторяются в других моделях современных отечественных и зарубежных лебедок для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения. Лебедка монтируется на сварной металлической раме 4, приспособленной для ее перевозки и перемещения подъемным краном при монтажно-демонтажных работах. К раме приварены корпуса масляных вал 3 и 10 цепных передач, соединяющих лебедку с коробкой перемены передач. В отцентрированных отверстиях корпусов масляных ван установлен подъемный вал с барабаном 7 буровой лебедки.

В корпусе 10 размещается вторая цепная передача, используемая для привода вала 11 трансмиссии ротора. Вал трансмиссии ротора на сферических роликоподшипниках устанавливается в дополнительной расточке корпуса 10 и выносной опоре 12, закрепленной на раме лебедки. Масляные ванны, закрытые крышками и промежуточными кожухами 15 и 19, соединяются с коробкой перемены передач. Наружные фланцы масляных ванн закрываются кожухами 16 и 18. На раме со стороны пульта 2 бурильщика смонтированы стойка 8 балансира, тормозной вал 17 и вал 5 рукоятки управления ленточным тормозом. Электромагнитный тормоз 14 крепится к раме соосно с подъемным валом и соединяется с ним кулачковой муфтой 13. На раме установлены два тахогенератора 9 и 20.

Тахогенератор 9 предназначен для контроля частоты вращения стола ротора и соединяется цепной передачей с валом 11 трансмиссии ротора. Тахогенератор 20 соединяется с валом электромагнитного тормоза и предназначен для контроля скорости спуска колонн труб при автоматическом режиме работы электротормоза. На стойке 1 установлен командоаппарат комплекса АСП для блокировки перемещений механизма захвата свечи и талевого блока. Привод командоаппарата осуществляется от цепной звездочки на подъемном валу лебедки.

К раме крепится воздухопровод 6 системы пневматического управления лебедкой. Для безопасной работы и защиты от загрязнения подвижные

Рис. 15.21. Буровая лебедка ЛБУ-1100

части лебедки закрыты металлическими кожухами с дверцами для доступа к ее отдельным деталям и узлам.

Подъемный вал (рис. 15.22) — основа буровой лебедки. Между коренными подшипниками 15 подъемного вала 19 напрессованы ступицы дисков барабана 18. В правом более доступном для работы диске имеется внутренний прилив (сечения А —А и С—С) для крепления талевого каната планкой 32 и болтами 33. В буровых лебедках канат крепится с внутренней либо с наружной стороны диска. Узел крепления должен быть надежным и удобным в работе. Наружное расположение узла крепления более доступно и удобно для быстрого крепления и освобождения каната. Недостаток наружного крепления — повреждение витков каната в результате трения с верхней кромкой углубления для заделки каната.

Наиболее распространены простые в изготовлении барабаны с гладкой наружной поверхностью. Для улучшения намотки барабан лебедки снабжается съемными накладками, имеющими параллельные и переходные спиральные канавки для укладки витков каната. Симметричное расположение параллельных и спиральных участков канавки на длине отдельных витков способствует снижению инерционных нагрузок от дисбаланса, создаваемого в результате одностороннего увеличения радиуса навивки в местах перехода смежных слоев каната.

К дискам барабана крепятся тормозные шкивы 16 (см. рис. 15.26). В рассматриваемой конструкции тормозные шкивы снабжены кольцевой рубашкой для охлаждающей воды. Вода в тормозных шкивах циркулирует по замкнутому циклу. Для этого через устройство 8 на торце вала и трубку, установленную внутри вала, по трубкам 20 вода поступает в правый, а затем в левый шкив, из которого по кольцевому пространству между отверстием вала и подводящей трубкой отводится в приемный бак для последующего использования. Пробки 17 в тормозных шкивах служат для слива воды во избежание ее замерзания при длительных остановках лебедки.

Коренные роликовые радиально-сферические подшипники 15 подъемного вала, установленные в расточках корпуса масляной ванны, смазываются густой смазкой через тавотницы 34. Внутренние обоймы роликоподшипников фиксируются на валу распорными втулками, а наружные — торцовыми крышками корпуса подшипника. Для компенсации температурных удлинений вала между корпусом 35 и наружной обоймой 36 одного из подшипников имеется необходимый зазор (узел I на рис. 15.22). Радиальные и торцовые лабиринтные уплотнения в крышках служат для удержания смазки в подшипниках.

Цепное колесо 1 тихоходной передачи и шкив шинно-пневматической муфты 12, имеют общую станину 2, посаженную на вал на свободно вращающихся роликовых радиально-сферических подшипниках, подобных подшипнику 21. На валу внутренние обоймы подшипников фиксируются втулками. Наружная обойма правого подшипника в расточке ступицы фиксируется от осевых перемещений пружинным кольцом и крышкой. Левый подшипник в ступице устанавливается свободно. Обод 10 шиннопневматической муфты 12 крепится планшайбой 5 к ступице 6, напрессованной на вал.

Воздух для включения шинно-пневматической муфты 12 поступает через вертлюжок 7, воздухопровод 4 и клапан-разрядник 11. При отказе муфты и в случае недостаточного давления воздуха для соединения муфты используются аварийные болты 9, которые ввинчиваются в приливы план-

шайбы и входят в пазы шкива. По правилам безопасности установка аварийных болтов 9 обязательна при использовании буровой лебедки для подъема вышки. Разъемное соединение цепного колеса 1, шкивов 14, 24 и планшайб 5, 26 со ступицами позволяет ремонтировать муфты и заменять цепное колесо без съема напрессованных на вал ступиц.

Кожух 13 предохраняет шкив 14 от попадания масла. Подшипники ступицы 2 смазываются с помощью масленки 3 с трубкой, ввинченной в ступицу. Аналогично на другом конце подъемного вала установлены шинно-пневматическая муфта 25 и цепные колеса 22 «быстрой» скорости лебедки и 23 трансмиссии ротора. Воздух к шинно-пневматической муфте 25 поступает через вал электромагнитного тормоза, вертлюжок 28, отверстие в вале 19, воздухопровод 30 и клапан-разрядник 31 .

Кулачковые полумуфты 27 и 29 используются для соединения подъемного вала с валом электромагнитного тормоза. Для устранения биения при вращении крупные детали подъемного вала и вал в сборе подвергаются балансировке. Все болтовые соединения лебедки зафиксированы от самопроизвольного отвинчивания

Вал 9 привода ротора устанавливается на двух роликовых радиальносферических подшипниках (рис. 15.23). Левый подшипник устанавливается в корпусе масляной ванны. Корпус правого подшипника крепится к раме буровой лебедки. Подшипники закрыты фланцевыми крышками, снабженными лабиринтным уплотнением. Ведущее двухрядное цепное колесо 3 вращается от подъемного вала и установлено на ступице 11, закрепленной на валу шпонкой. Ведомое цепное колесо z = 27 выполнено в виде шкива-звездочки 4, свободно вращающейся относительно вала на роликоподшипниках 10.

Планшайба 7 шинно-пневматической муфты 6 с помощью шпонки жестко закреплена на валу 9. Воздух в муфты подводится через вертлюжок 2 и отверстия в вале. В аварийных случаях для соединения муфты могут быть использованы болты 8. На вертлюжке 12 имеется цепная звездочка для привода тахогенератора, контролирующего частоту вращения стола ротора. Противоположная консоль вала 9 может быть использована для соединения с двигателем. Подшипники смазываются через тавотницы

2 и 5.

Буровые лебедки конструкции Уралмашзавода, имеющие различные приводные системы, характеризуются высокой приводной мощностью, оптимальными соотношениями диаметра бочки барабана и талевого каната, оборудованы надежными тормозными системами и регуляторами подачи долота на забой, а также механизмами для правильной укладки талевого каната на барабане.

Шифр лебедок следует читать так: ЛБУ22-720 — лебедка буровая Уралмашзавода, натяжение ходового конца талевого каната 22 тс (220 кН), расчетная мощность на входном валу лебедки 720 кВт. В некоторых шифрах указывается только расчетная мощность (например, ЛБУ3000).

Шифр вспомогательного тормоза: ТЭИ-710-45 — тормоз электрический индукционный, 710 —расстояние от основания лебедки до оси (мм), 45 — максимальный тормозной момент (кН-м); УТГ-1450 — уралмашев-ский тормоз гидродинамический, активный (максимальный) диаметр — 1450 мм.

В табл.15.10 приведены технические характеристики буровых лебедок Уралмашзавода, а в табл. 15.11 — лебедок ВЗБТ.

Рис. 15.23. Вал привода ротора в сборе


Показатель

Буровые лебедки

ЛБУ22-720

ЛБУ22-670

ЛБУ37-1100

ЛБУ2000ПС

ЛБУ3000М1

ЛБУ-1200

ЛБУ-1200(Д-1)

ЛБУ-1200 (Д-2)

Максимальное усилие

220

220

370

365

460

273

289

289

в канате, кН

Расчетная мощность

720

670

1100

1475

2200

710

690

690

на входном валу, кВт

Диаметр талевого ка

28

28

35

35

38

32

32

32

ната, мм

Диаметр бочки бара

650

500

685

835

935

800

800

800

бана, мм

Диаметр бочки бара

840

1180

1373

1445

1540

1030

1030

1030

бана, мм

Число скоростей ле

4

2

4

2

2

5/4

5/4

5/4

бедки (с учетом ко

робки скоростей)/на

ротор

Длина тормозных

1180

90

1270

1450

1600

1450

1450

1450

шайб, мм

Ширина тормозной

230

230

230

230

260

230

230

230

колодки, мм

Тип вспомогательного

ТЭИ-710-45

ТЭИ-800-60

Основной электродвигатель

УТГ-1450

тормоза

Габариты, мм:

длина

6854

7866

8333

8430*

8725**

7250

7407

7430

ширина

3208*

3100

3230*

3480**

3464**

3545

2776

2903

высота

2695

2207

2208

2540**

2560**

2865

2420

2420

Масса, кг

31 490

34 000

39 050

39 330**

49 200**

26 320

23 875

24 450

* Транспортный размер.

Параметры приведены без основного электродвигателя.

Показатель

Буровая лебедка

Б7.02.00.000

Сб.02/ЛБ-750

Б 1.02.30.000

Б12.02.02.000

Б12.02.02.000-01

М12.02.02.000

Буровые установки, в которых применены буровые лебедки

БУ1600/100ДГУ

БУ1600/100ЭУ

БУ2900/17Д ГУМ 1

БУ2900/175ЭП-М,

БУ2900/175ДЭП-2,

БУ2900/175ЭПК

БУ2900/175ЭПБМ1

БУ2900/200ЭПК

БУ1600/100ДММ

Расчетная мощности на входном валу подъемного агрегата, кВт

300

550

550

550

550

300

Максимальное усилие в канате, кН

145

225

225

225

250

145

Диаметр каната, мм

25

28

28

28

32

25

Диаметр бочки барабана, мм

550

700

550

560

560

550

Длина бочки барабана, мм

Число скоростей (с учетом трансмиссии):

800

1200

1200

1071

1071

640

прямых

4/2

4

2

2

2

3

обратных

4/ —

2

2

2

1

Число скоростей на ротор

4/2

4

3/1

Диаметр тормозных шайб, мм

1180

1180

1180

1180

1180

1180

Ширина тормозной колодки, мм Тип вспомогательного тормоза

Мощность вспомогательного привода, кВт Габариты, мм:

230

Гидромат Ф1000 22

230

230

ТЭП-

230

;5 — У1

37

230

230

Гидромат Ф1000 22

длина

4570

4620

4980

12 000*

12 000*

ширина

3175

2040

3190

3230

3230

высота

2187

1895

2130

3150

3150

Масса, кг

* С приводом.

12 000

12 200

21 000

20 940

20 940

Основными параметрами буровых лебедок считают мощность, скорости подъема, тяговое усилие, длину и диаметр барабана лебедки. От правильного выбора указанных параметров зависят производительность, экономичность, габариты и масса лебедки, которые существенно влияют на эффективность бурения, транспортабельность и монтажеспособность всей буровой установки.

Мощность лебедки определяется полезной мощностью на ее барабане, которая должна быть достаточной для выполнения спускоподъемных операций и аварийных работ при бурении и креплении скважин заданной конструкции. При недостаточной мощности возрастает продолжительность спускоподъемных операций, чрезмерная мощность недоиспользуется вследствие ограниченных скоростей подъема и приводит к неоправданным материальным и эксплуатационным расходам. В результате накопленного опыта установлено, что оптимальная мощность буровой лебедки определяется из условий подъема наиболее тяжелой бурильной колонны для заданной глубины бурения с расчетной скоростью 0,4 — 0,5 м/с:

Мб = (Сбк + G^V р^т.с    (15.8)

где Мб — мощность на барабане лебедки, кВт; G^ — вес бурильной колонны, кН; Gx — вес подвижных частей талевого механизма, кН; ^ — расчетная скорость подъема крюка, м/с; Пт.с — КПД талевого механизма.

Мощность лебедки уточняется после выбора двигателей и силовых передач ее привода:

Мб = М^тр'

где Мдв — мощность, получаемая от вала двигателя, кВт; птр — КПД трансмиссии (от вала двигателя до барабана лебедки.

В практических расчетах удобно пользоваться удельной мощностью буровой лебедки, приходящейся на 1 кН поднимаемого груза либо на 1 м глубины бурения (табл. 15.12).

Продолжительность спускоподъемных операций в бурении и топливно-энергетические затраты, связанные с их выполнением, зависят от скорости и числа ступеней передач лебедки. Максимальная и минимальная скорости выбираются с учетом требований, обусловленных технологией бурения, работой каната и безопасностью подъема.

Максимальная скорость подъема ограничивается безопасностью управления процессом подъема и предельной скоростью ходовой струны, при которой обеспечивается нормальная навивка каната на барабан лебедки. Для предотвращения затаскивания талевого блока под кронблок из-за ограниченного тормозного пути скорость подъема крюка, согласно требованиям безопасности, не должна превышать 2 м/с. Нормальная навивка каната на барабан лебедки, как показывает опыт, обеспечивается при скорости ходовой струны каната не более 20 м/с. При дальнейшем повышении скорости для нормальной навивки каната необходимо увеличить диаметр барабана, что нежелательно, так как пропорционально возрастают крутящие и изгибающие моменты в деталях и узлах лебедки.

Удельная мощность на приводном валу лебедки (с учетом потерь на трение в талевом механизме и собственно в лебедке)

Класс буровой установки

Нагрузка на крюке Рmax, кН

Глубина бурения !к, м

Мощность на приводном валу лебедки N5, кВт

Удельная мощность на приводном валу лебедки, кВт

на 1 кН поднимаемого груза

N уд

на 1 м глубины скважины

1

800

1250

240

0,30

0,19

2

1000

1600

300

0,30

0,19

3

1250

2000

440

0,35

0,22

4

1600

2500

550

0,34

0,22

5

2000

3200

610

0,34

0,21

6

2500

4000

900

0,36

0,22

7

3200

5000

1100

0,34

0,22

8

4000

6500

1475

0,37

0,23

9

5000

8000

2200

0,44

0,27

10

6300

10 000

2950

0,47

0,29

11

8000

12 500

2950

0,37

0,24

Учитывая известную зависимость скорости ходовой струны от скорости подъема крюка

vx    ^кр ^т.сг

согласно рассмотренным требованиям, максимальную скорость подъема выбирают из следующих условий:

для талевых механизмов с кратностью оснастки гтс < 10 (укр)тах = = 2 м/с;

для талевых механизмов с кратностью оснастки гтс > 10 (укр)тэх = = 20/гтс м/с.

Минимальная скорость подъема — резервная и используется для технологических целей: при расхаживании колонн бурильных и обсадных труб; при ликвидации осложнений и аварий, связанных с затяжкой и прихватом бурильных труб; при подъеме колонны труб через закрытые превенторы; при подъеме колонны труб в случае отказа одного из двигателей привода лебедки. Величина минимальной скорости подъема принимается в установленных практикой бурения пределах:

(^кр)тт    °Д—10,2 м/с.

Отношение предельных скоростей определяет диапазон регулирования скоростей подъема лебедки

Rv = (v^ max /(v^ min.

Число ступеней передач (скоростей) зависит от типа привода буровой лебедки. При использовании электродвигателей постоянного тока — бесступенчатое изменение скоростей подъема в заданном диапазоне регулирования. В зависимости от нагрузки Gt по условию полного использования выходной мощности N двигателя промежуточные скорости подъема

V = Мдв n/(Gi + Ст),

где п — КПД подъемного механизма от двигателя до крюка; Ст — вес талевого механизма.

В настоящее время в приводе буровых лебедок преимущественно используются дизели и электродвигатели переменного тока, обладающие жесткой характеристикой. В этих случаях число ступеней механических передач буровой лебедки назначается из условия достаточно полного использования мощности двигателей. Степень использования мощности характеризуется отношением мощности, необходимой для подъема груза, к установленной мощности двигателей. В связи со ступенчатым изменением веса поднимаемой колонны труб степень использования мощности зависит от числа ступеней передач лебедки.

15.11. ТОРМОЗНЫЕ СИСТЕМЫ БУРОВЫХ ЛЕБЕДОК

Тормозные системы буровых лебедок предназначены для следующего: удерживания в подвешенном состоянии бурильной колонны; поглощения мощности при спуске колонны на длину одной свечи с наибольшей допустимой скоростью и полного торможения в конце спуска; плавной подачи бурильной колонны по мере углубления скважины при бурении.

При спуске бурильной колонны развивается большая мощность и поглощение ее механическими тормозами ограничивается предельно допустимыми температурами, возникающими на поверхностях трения, и возможностью отвода выделяемой теплоты этими тормозами. Предельная температура фрикционных поверхностей обычно ограничивается 500 °С. При более высоких температурах резко ухудшаются фрикционные качества тормозных колодок. Спуск тяжелых колонн с большой скоростью и резким торможением приводит к тому, что мгновенная температура на поверхностях трения достигает 1000 °С.

В буровых лебедках предусмотрено два вида тормозов: главный тормоз (останова), вспомогательный тормоз, регулирующий скорость спуска и поглощающий часть выделяющейся при этом энергии, и специальный механизм для регулирования скорости подачи долота при бурении.

Главные тормоза останова — ленточного типа; тормозные шкивы расположены непосредственно на барабане лебедки на двух его концах, что обусловлено требованиями техники безопасности работы при бурении. В буровых лебедках вспомогательные тормоза, замедляющие скорость спуска, могут быть как гидравлические, так и электродинамические.

Главные тормоза в ряде случаев выполняют функции устройства для подачи долота. Эти устройства могут иметь разнообразные конструкции, как воздействующие на основную тормозную систему, так и представляющие собой отдельные механизмы. Следует, однако, учитывать, что главные тормоза рассчитывают на торможение крюка, двигающегося со скоростью 1—3 м/с и развивающего при спуске мощность до 10 000 кВт, в то время как при подаче бурильной колонны скорости спуска ничтожны (до 0,03 м/с), а мощность составляет 5 — 30 кВт. Естественно, что один и тот же механизм тормоза не может полностью удовлетворить всем требованиям в столь широком диапазоне мощностей, так как коэффициенты трения при низких скоростях нестабильны; поэтому для бурения в тяжелых условиях целесообразно использовать лебедки с устройствами, способными осуществлять тонкое регулирование скорости спуска и подачи при проходке.

В качестве главных тормозов буровых лебедок используют ленточные тормоза.

Тормоза буровых лебедок развивают большую мгновенную мощность, в результате чего выделяется большое количество теплоты и быстро нагреваются поверхности трения. В связи с этим хороший отвод выделяющейся теплоты при торможении — одно из важнейших качеств тормоза лебедки. Поэтому системы охлаждения должны быть спроектированы с учетом условий бурения и нагруженности тормозов с охлаждением водой или воздухом.

ЛЕНТОЧНЫЕ ТОРМОЗА

На рис. 15.24 приведена схема типового ленточного тормоза из двух тормозных лент, охватывающих тормозные шкивы барабана лебедки. Шкивы расположены с двух сторон барабана, тормозные ленты соединены одним концом с балансиром, который служит для равномерного распределения тормозного усилия между обеими лентами; другой конец лент соединен с коленчатым валом. На коленчатом валу слева находится рукоятка управления, а справа — рычаг, соединенный с пневматическим цилиндром, который увеличивает тормозное усилие.

Неподвижные концы лент закреплены на балансире, а подвижные,

Рис. 15.24. Типовой ленточный тормоз буровой лебедки:

1 - рукоятка тормоза; 2 - рычаг; 3 - тормозная колодка; 4 - фиксатор рычага; 5 - опора кривошипного вала тормоза; 6 - рычаги; 7 - кривошипный вал; 8 - пневмоцилиндр; 9 - пружинный шарнир крепления ленты; 10 - опора балансира; 11 - балансир; 12 - контргайка; 13 - тяга; 14 - поддерживающий ролик; 15 - тормозная лента

прикрепленные к шейкам коленчатого вала, при повороте его перемещаются, охватывают шкивы и прижимают колодки, осуществляя тем самым торможение. Управление тормозом осуществляют тормозной рукояткой, связанной с подвижными концами лент системой рычагов и кривошипным валом.

Кривошипный вал поворачивают либо рычагом управления, либо поршнем пневматического цилиндра. Для управления пневматическим торможением поворачивают рукоятку, которая должна находиться на тормозном рычаге.

Тормозной рычаг должен иметь угол поворота не более 90°, так как при длине рычага 1,0 —1,2 м рабочий не может перемещать его на большой угол. Преимущество ленточных тормозов — простота их конструкции и прогрессивное увеличение тормозного момента по мере поворота рычага. На рис. 15.25 приведена зависимость мощности торможения от угла поворота ф рычага и перемещения As подвижных концов ленты. Конец тормозного рычага, согласно правилам Г осгортехнадзора, при полном торможении должен находиться на расстоянии не менее 0,8 —0,9 м от пола буровой, уменьшение хода рычага достигается регулировкой зазора между тормозными колодками лент и поверхностью шкивов. Рычаг должен перемещаться только в вертикальной плоскости.

Тормозные рычаги снабжены запирающимися устройствами (защелками), позволяющими оставлять тормоз надежно заторможенным, исключающим проскальзывание барабана и самопроизвольное опускание бурильной колонны.

Тормозной шкив представляет собой стальной литой цилиндрический обод шириной b = 0,15^0,3 м и диаметром Дт до 1,6 м с ребордой, при помощи которой он крепится к барабану лебедки. Эта же реборда служит для увеличения жесткости шкива. Сам шкив изнашивается быстрее, чем барабан, и должен быть сменным.

По конструктивному оформлению шкивы тормозов могут иметь весьма разнообразные исполнения. В большинстве случаев они литые. Конструкции с ребрами для воздушного охлаждения, отлитыми за одно целое со шкивом, можно использовать в условиях эксплуатации на севере. Шкивы с вставным литым алюминиевым ребристым барабаном для охлаждения широкого распространения не получили из-за сложности изготовления. Конструкции с камерами охлаждения можно успешно использовать в лебедках,

применяемых в районах с умеренным и жарким климатом при бурении с небольшим числом СПО.

As, мм

0    15    30    45    60    75    ф,    градус

А    В


Толщину шкивов 5 рассчитывают с учетом износа A, допускаемого в пределах 0,4 — 0,5 его толщины. Ширина b должна быть на 5 — 10 мм больше ширины тормозных колодок.

Рис. 15.25. Зависимость мощности N торможения ленточного тормоза и перемещения As подвижного конца ленты от углового перемещения ф рычага:

Л, Б - точки соответственно вертикального и горизонтального положения рычага

Ленту тормоза выполняют из стальной полосы шириной 0,15 — 0,3 м, толщиной 3 — 6 мм, облицованной с внутренней части тормозными колодками из фрикционного материала; колодки крепят к ленте болтами с потайными головками или стальными лепестками арматуры колодки. К обоим концам полосы приклепывают проушины для валиков, соединяющих ленту с балансиром и коленчатым валом.

Тормозные колодки изготавливают стандартных размеров из различных фрикционных материалов: тканые, из прессованного асбестового волокна с металлической сеткой или специальных пластмасс и других фрикционных материалов. Материал для изготовления тормозных колодок должен обладать высоким коэффициентом трения (0,4 — 0,5), большой прочностью, теплостойкостью, обеспечивать небольшой износ колодок и тормозного шкива и хороший отвод теплоты.

Тормозные колодки могут быть следующих типов: твердые прессованные и мягкие тканевые. Имеется также много различных промежуточных типов прессованно-тканевых колодок. Чем больше твердость колодок, тем меньше их износ, но тем быстрее изнашиваются тормозные шкивы. Мягкие тканевые колодки изнашиваются быстрее, но при этом износ тормозных шкивов меньше. Коэффициент трения мягких колодок обычно выше, чем твердых. Для лебедок глубокого бурения лучшими являются прессованные колодки средней твердости.

Для колодок применяют асбестокаучуковые материалы 6КХ-1 и рети-накс ФК-24А, в котором связкой служат фенолоформальдегидные смолы. Колодки из ретинакса можно применять при удельном давлении 5 — 6 МПа и скорости торможения 50 — 60 м/с. Теплостойкость поверхности этого материала до 1000 °С, по объему 400 — 600 °С. Твердость ретинакса НВ составляет 33, плотность р = 2-103 кг/м3.

Балансиры служат для создания равномерного распределения тормозного усилия между двумя лентами и обеспечения одновременности их работы. Без балансирующих устройств тормоза приходилось бы часто регулировать, однако и это не обеспечивало бы их равномерную нагрузку и происходил бы повышенный износ тормозных колодок. В буровых лебедках балансиры обязательны.

Балансир представляет собой простую конструкцию в виде стальной литой или сварной балки, прикрепленной к раме осью; на концах балансира смонтированы регулировочные болты, к которым крепятся тормозные ленты. Литые балансиры следует изготовлять из углеродистой стали.

Механизмы управления тормозами различных конструкций: с непосредственным или дистанционным управлением, с жесткими механическими связями. Наиболее просты и надежны рычажные механизмы: с рычагом, воздействующим непосредственно на коленчатый вал, с которым соединены тормозные ленты; с рычагом, воздействующим на систему промежуточных рычагов; с рычагом, воздействующим на системы с зубчатыми секторами с переменным передаточным отношением; с рычагом, воздействующим на эксцентрик, который приводит в движение систему рычагов, связанных с тормозными лентами, и др.

Во всех этих системах различными конструктивными средствами обеспечивают в начале торможения при небольшом повороте тормозного рычага большее перемещение тормозных лент и меньший выигрыш в силе торможения, а в конце торможения, наоборот, больший выигрыш в силе при меньшем перемещении лент.

Расчет главного тормоза. Рассмотрим усилия, действующие при торможении. В скважину спускают колонны разного веса с различными скоростями. Скорости спуска ограничиваются вспомогательным и главным тормозами. Торможение при остановке осуществляет только главный тормоз, который поглощает в этот момент всю энергию движущейся колонны и связанных с ней частей.

Усилие на крюке и в ведущей ветви каната при остановке зависит от времени и пути торможения, а также от возникающих при этом динамических сил. Так как время торможения ничем не ограничивается и зависит только от оператора, то во избежание возникновения чрезмерных динамических нагрузок, которые могут привести к обрыву каната, тормозное усилие F на ободе тормозов должно всегда создавать усилие на барабане меньше разрывного усилия каната в целом Яд, т.е. должно соблюдаться условие

где Яд — в Н; z = 2 число тормозных лент; Д. — диаметр тормозного шкива, м; Di — эффективный диаметр барабана, м; FCT — сила трения на ободе тормозного шкива при неподвижной колонне, Н; Fд — динамическая сила, Н; кт — коэффициент запаса торможения (правилами Госгортехнадзора установлен в пределах 1,5 — 2 при наибольшей нагрузке на крюке);

F _ Рт Di Лт.с ;

F ст    г-.    ;

Ыт Дт

Рт — суммарная статическая нагрузка на ветви талевого каната; птс — КПД талевой системы и барабана при спуске; ит — число рабочих ветвей полиспаста.

Динамическая сила F^ которая поглощает освобождающуюся во время торможения кинетическую энергию спускаемой колонны со скоростью ^.с, рассчитывается по формуле

Y0 У    ^^0

В буровых лебедках, рассчитанных на канаты определенного диаметра, нельзя произвольно применять канат меньшего или большего диаметра. В первом случае канат может быть оборван при резком торможении даже при правильном выборе диаметра по статической нагрузке. Во втором случае увеличится путь торможения из-за недостаточного тормозного момента, хотя прочность каната также соответствует расчетной нагрузке.

Значения коэффициента трения f тормозных накладок и шкива для различных пар трения приведены ниже.

Сталь — чугун всухую....................................................................................... 0,25 — 0,45 (до 0,5)

Сталь или чугун — феррадо или райбест    всухую........................................ 0,35 — 0,45

Чугун —    феррадо при обильной смазке........................................................ 0,08 — 0,1

Сталь —    ретинакс ФК-24А всухую................................................................. 0,35 — 0,65

Сталь —    ретинакс ФК-24А при обильной    смазке........................................ 0,09 — 0,1

Чугун — порошковые металлические колодки всухую............................... 0,35 — 0,55

Тормоза буровых лебедок следует рассчитывать так, чтобы путь, проходимый крюком при торможении во время спуска, не превышал значения Лк, определяемого по зависимости Лк = ук.с/3, где ук.с — скорость спуска крюка, м/с.

Силы, действующие в рычажном механизме тормоза. В ленточных тормозах буровых лебедок набегающие концы ленты необходимо укреплять неподвижно к балансиру лебедки, а подвижные — к кривошипу, на который действует только меньшая сила натяжения ленты, создающая момент на тормозной рукоятке Мр и момент на рычаге пневмоцилиндра Мц, (Н-м); Мр + Мц = 2 5сбг cos у, где г и 0,04^0,06 м — радиус кривошипа от неподвижного шарнира до точки крепления к подвижному концу ленты, м;

Y — угол поворота рычага; 5сб — натяжение сбегающей ветви талевого каната.

Подвижный конец ленты в момент полного торможения должен быть расположен под углом к оси кривошипа, близким к 90°. Этот тормозной момент уравновешивается моментами Мр и Мц, создаваемыми соответственно тормозной рукояткой и пневмоцилиндром; Мст < Мр + Мц.

Усилие на тормозной рукоятке при Мц = 0

2 rSсб sin у

Рр =-


р


Пlcosр

где l — длина тормозного рычага, м (для ручного тормоза обычно l = = 1,2^1,6 м); п = 0,9^0,95 — КПД рычажной системы; в — угол между сбегающим концом ленты и осью кривошипа; у — угол между осью рычага и лентой (меняется от 80° перед началом торможения до 10—15° в конце торможения).

При ручном торможении длительное усилие рабочего на тормозной рукоятке должно быть до 250 Н. Максимальный момент, который должна развивать пневматическая система торможения, Мц > 0,8 Мст.

При спуске бурильной колонны в процессе проводки скважин выделяется значительное количество энергии, которая должна поглощаться тормозной системой буровой лебедки. При торможении эта энергия превращается в теплоту, которая вызывает сильный нагрев и приводит к быстрому изнашиванию тормозных колодок и шкивов. Одновременно с повышением температуры тормозных шкивов и колодок уменьшается коэффициент трения, что заставляет бурильщика увеличивать усилие на тормозной рукоятке и тем самым увеличивать давление на колодки, что ускоряет их износ.

При эксплуатации буровых лебедок без регулирующего тормоза тормозные колодки иногда срабатываются в течение одного-двух спусков бурильной колонны.

В процессе спуска происходит постоянное чередование периодов торможения и спусков колонны, периодов подъема ненагруженного элеватора и периодов пауз, причем вес спускаемой колонны за цикл увеличивается на вес одной свечи.

Главные тормоза рассчитывают по количеству выделяемой теплоты, за которое принимают количество теплоты, выделяемой в конце спуска на длину свечи колонны наибольшего веса. Меньший вес бурильной колонны в предыдущие моменты спуска в расчете не учитываются.

В буровых лебедках, рассчитанных на большие нагрузки и предназначенных для бурения глубоких скважин, целесообразно применять охлаждение тормозных шкивов.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТОРМОЗА

Гидродинамические тормоза буровых лебедок, используемые для ограничения скорости спуска бурильных и обсадных труб в скважину, представляют собой лопаточное гидравлическое устройство, состоящее из вращающегося ротора и неподвижного статора, рабочая полость которых заполнена жидкостью. При вращении радиальные лопатки ротора отбрасывают жидкость от центра к периферии и направляют ее на лопатки статора. Пройдя по межлопаточным каналам статора, жидкость вновь попадает на лопатки ротора и таким образом устанавливается замкнутая циркуляция жидкости между ротором и статором.

Силы гидравлических сопротивлений, обусловленные трением жидкости в межлопаточных каналах и потерей напора на удары в вихревых зонах между лопатками ротора и статора, создают тормозной момент, противодействующий вращению ротора, значение которого зависит от диаметра и частоты вращения ротора и регулируется уровнем наполнения гидродинамического тормоза рабочей жидкостью. Механические потери, вызываемые трением в опорах и уплотнениях вала ротора, не оказывают существенного влияния на величину тормозного момента. Механическая энергия, поглощаемая в процессе торможения, превращается в теплоту и вызывает нагрев рабочей жидкости и деталей гидродинамического тормоза.

Допустимая температура нагрева зависит от физических свойств рабочей жидкости. При использовании воды температура нагрева не должна превышать 90 °С.

Ротор гидродинамического тормоза (рис. 15.26) состоит из вала 8 и отлитого из чугуна двухлопастного насосного колеса 5 с радиальными плоскими лопатками, наклоненными под углом 45° в сторону их рабочего вращения, совпадающего с направлением вращения барабана лебедки при спуске. Толщина лопаток определяется из требований литейного производства и в зависимости от диаметра ротора составляет 12 — 25 мм. Число лопаток принимается равным 20 — 28. Дальнейшее увеличение числа лопаток существенно не влияет на значение тормозного момента и приводит к неоправданному увеличению массы гидродинамического тормоза.

Для предохранения от проворачивания под действием крутящих моментов, передаваемых ротором, насосное колесо соединяется с валом ротора прессовой посадкой и шпонкой.

Статор 6 состоит из двух симметричных частей, образующих корпус гидродинамического тормоза со стойками 1 для крепления к раме буровой лебедки. Обе части статора отливают из чугуна. Они имеют радиальные лопатки, наклоненные в сторону, противоположную наклону лопаток насосного колеса. Вал 8 на роликоподшипниках 3, 9 и фланцевых стаканах 4 и 7 устанавливается в сквозных расточках статоров. Соосность отверстий обеспечивается центрирующим буртиком в соединении статоров. Стыкуемые плоскости статоров уплотняются паронитовой либо картонной прокладкой 13, затягиваемой крепежными болтами 12.

В рассматриваемой конструкции вал ротора устанавливается на роликовом радиальном и радиально-сферическом двухрядном подшипниках в отличие от более распространенных конструкций, в которых оба подшипника роликовые радиальные. Осевое положение вала фиксируется радиально-сферическим подшипником, наружное кольцо которого затягивается торцовой крышкой с регулировочной прокладкой, а внутреннее — закрепительной втулкой 2. Свобода противоположного конца вала обеспечивается перемещением роликов по беговой дорожке внутренней обоймы подшипника.

Осевые зазоры между ротором и статором составляют 4 — 4,5 мм и регулируются набором металлических прокладок, установленных между фланцевыми стаканами и наружными торцами отверстий статоров. Подшипники вала смазываются консистентной смазкой, набиваемой ручным шприцем через масленки. Для предупреждения утечек масла фланцевые стаканы и крышка снабжены щелевыми (жировыми) канавками. Выводной конец вала используется для сцепной муфты, соединяющей гидродинамический тормоз с подъемным валом буровой лебедки. Для уплотнения вращающегося вала применяются сальниковые и торцовые уплотнения.

Сальниковые уплотнения благодаря простоте и дешевизне более широко распространены и состоят из плетеной асбестопроволочной набивки В, промежуточной распорной втулки, грундбуксы и нажимных болтов с контргайками. Износ сальникового уплотнения контролируется по утечке рабочей жидкости через каналы 10. При чрезмерной утечке сальники равномерно подтягиваются нажимными болтами. Нельзя допускать перетяжки сальника, так как это приводит к перегреву и преждевременному выводу сальника из строя.

Для повышения долговечности сальники вала ротора регулярно смазываются графитовой смазкой, подаваемой через масленки. Смазка снижает коэффициент трения, и в результате этого уменьшаются нагрев и износ сальника. Сальниковую набивку осматривают и заменяют после снятия фланцевых стаканов. Для ускорения этих операций используются два болта, вставляемые в резьбовые отверстия фланца стакана. При ввинчивании болтов фланцевый стакан вместе с подшипником и крышкой снимают с вала ротора. Известны конструкции гидродинамических тормозов, в которых подшипники вала установлены на выносных опорах. В результате этого улучшается доступ для осмотра и замены сальниковых набивок, а подшипники вала полностью изолируются от рабочей жидкости. Недостаток этих конструкций — увеличение длины вала, вследствие чего для установки тормоза требуется соответствующее удлинение рамы лебедки.

В качестве рабочей жидкости обычно используют воду, поступающую из холодильника через патрубки 11 в кольцевые камеры статора. По радиальным и тангенциальным каналам А в теле и лопатках статоров вода направляется в межлопаточные полости Б тормоза. Тангенциально направленный поток способствует самовсасыванию, и поэтому поступающая из холодильника вода интенсивно перемешивается с горячей водой в полости тормоза, нагреваемой в результате торможения. Для увеличения проточных сечений тормоза часть лопаток ротора укорочена.

Из гидротормоза вода отводится в холодильник через верхний патрубок. Необходимый для этого напор создается углублениями на наружной цилиндрической поверхности ротора либо сужением радиального зазора между ротором и статором у верхнего патрубка, что достигается смещением фланцевых стаканов подшипников ротора относительно оси статора. После охлаждения жидкость самотеком переливается из холодильника в гидротормоз. Создаваемый тормозной момент зависит от уровня воды в холодильнике, устанавливаемого с помощью ступенчатых и бесступенчатых регуляторов.

Гидродинамический тормоз используется при спуске бурильных труб, когда вес колонны превышает 100 — 200 кН. При подъеме труб и спуске незагруженного элеватора гидродинамический тормоз необходимо отключать, так как его действие в этом процессе отрицательное. При подъемных операциях работа гидродинамического тормоза вызывает излишние затраты мощности и износ уплотнений и подшипников вала ротора, что сокращает срок службы тормоза. При спуске незагруженного элеватора скорость спуска уменьшается и в результате этого возрастает общая продолжительность спускоподъемных операций.

Для сокращения времени, затрачиваемого на частые включения и отключения, подъемный вал лебедки соединяется с валом гидродинамического тормоза посредством сцепных муфт. Наиболее эффективна фрикционная муфта, позволяющая оперативно соединять тормоз с лебедкой при спусках бурильных свечей.

Рассмотрим основы расчета и внешние характеристики гидродинамических тормозов (табл. 15.13).

Таблица 15.13

Техническая характеристика гидродинамических тормозов

Показатель

УТГ-1000

УТГ-1450

ТГ-1-1200

ШТГ-1-1200

Активный диаметр ротора, м

1000

1450

1200

1200

Число роторов

2

1

1

1

Максимальная частота вращения ротора, об/мин Тормозной момент, кН-м:

500

400

400

400

при 250 об/мин

20

110

45

45

максимально допустимый

50

170

50

50

Масса тормоза, кг Габариты тормоза, мм:

3306

5200

3600

2730

высота

1590

1870

1750

1810

ширина

1680

1610

1575

длина

1435

1533

1090

1138

Регулирование наполнением

Ступенчатое

Бесступенчатое

Полезный объем регулятора уровня воды, м3

0,4

0,8

0,52

0,5

Масса регулятора, кг Габариты регулятора, мм:

245

426

328

215

высота

1950

2466

1925

1750

ширина

478

1094

950

910

длина

1062

1400

1075

Примечание. Обозначения: УТГ —

гидродинамический тормоз Уралмашзавода:

ТГ — гидродинамический тормоз ВЗБТ; ШТГ Шмидта.

— гидродинамический тормоз завода им. лейт.

Гидродинамические тормоза характеризуются внутренним и внешними показателями. К внутренним показателям относятся расход и напор рабочей жидкости, циркулирующей в межлопаточной полости гидродинамического тормоза. Гидравлическая мощность, тормозной момент и угловая скорость — внешние показатели гидродинамического тормоза. Гидравлическая мощность тормоза (в Вт)

N = pgQH,

где р — плотность рабочей жидкости, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, м/с ; Q — расход рабочей жидкости, равный объему рабочей жидкости, протекающему через лопастную систему в единицу времени, м3/с; Н — напор рабочей жидкости, м.

Тормозной момент, создаваемый гидродинамическим тормозом (в Н-м)

Мт = pgH/ю,

где ю — угловая скорость, с-1.

Для практических расчетов и изучения внешней характеристики гидродинамических тормозов пользуются формулами тормозного момента, известными из теории лопастных гидромашин:

Мт = Х'м P(D5 — d5)ro2;

Мт = Хм рД5 - d5)ro2,

где Хм « 100 Х'м — коэффициент гидравлического момента; D — наружный диаметр образующегося при вращении ротора кольца жидкости, принимаемый равным диаметру ротора, м; d — внутренний диаметр кольца жидкости, зависящий от уровня наполнения тормоза, м; п — частота вращения ротора, об/мин.

Коэффициент гидравлического момента Х определяется экспериментально и является безразмерной величиной, зависящей от формы рабочей полости, геометрических параметров и числа лопаток гидродинамического тормоза. С увеличением Х возрастает тормозной момент гидродинамического тормоза при одинаковых диаметре и частоте вращения его ротора.

Коэффициенты гидравлического момента рассматриваемых тормозов при полном наполнении приведены ниже.

УТГ-1000, УТГ-1450 ТГ-1200..


0,32

0,27

0,29

0,29


ШТГ-1-1200


Как видим, тормозной момент изменяется в зависимости от внутреннего диаметра водяного кольца и частоты вращения ротора. При полном наполнении величина а снижается до минимума и тормозной момент достигает наибольших значений. По мере опорожнения гидродинамического тормоза внутренний диаметр водяного кольца увеличивается, что приводит к снижению тормозного момента. Общий недостаток гидродинамических тормозов — уменьшение тормозного момента с понижением частоты вращения ротора. При неподвижном роторе (п = 0) тормозной момент равен нулю. Из этого следует, что гидродинамический тормоз не способен затормозить лебедку до полной ее остановки.

Внешней характеристикой гидродинамического тормоза называют зависимость тормозного момента от частоты вращения ротора при постоян-

ном уровне наполнения. Внешняя характеристика тормоза графически изображается квадратичной параболой, проходящей через начало координат.

Гидродинамические тормоза рассчитываются по различным методикам. Наиболее простой и доступный расчет — методом подобия, обеспечивающим достаточно точное совпадение расчетных и фактических характеристик. При расчетах по методу подобия ориентируются на испытанные конструкции гидродинамических тормозов с известными значениями коэффициента X. В качестве характерного размера гидродинамического тормоза выбирают диаметр ротора. При полном наполнении тормозной момент с достаточной точностью определяется формулой

Мт = Хм р D5 n2.

В случае изменения диаметра ротора тормозной момент подобного тормоза

M = M(D'/D)5,

где М' и D' — тормозной момент и диаметр нового тормоза; М и D — тормозной момент и диаметр прототипа.

При изменении плотности рабочей жидкости тормозной момент можно рассчитывать, пользуясь уравнением подобия

M = M р'/р,

где р' — измененная плотность рабочей жидкости.

При использовании гидродинамического тормоза со ступенчатым регулятором уровня скорость спуска по мере увеличения веса колонны труб снижается по непрерывно-ступенчатой кривой. Для более полного использования ленточных тормозов необходимо увеличить число переливных клапанов на холодильнике. Бесступенчатые холодильники обеспечивают плавное изменение скорости спуска, и благодаря этому при заданном запасе торможения продолжительность пуска колонны труб сокращается до минимума.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ТОРМОЗА

Электромагнитные тормоза, применяемые в буровых лебедках, делятся на индукционные и порошковые.

Электромагнитный тормоз с водяным охлаждением модели ЭМТ-4500-

У1 (в дальнейшем именуемый тормоз) предназначен для интенсивного торможения при спуске бурильного инструмента и колонны обсадных труб. Тормоз установлен на раме буровой лебедки и рассчитан для работы в районах умеренного климата при температуре воздуха от +40 до —40 °С и относительной влажности 80 % при 20 °С, во взрывобезопасной среде, не содержащей агрессивных газов и паров, разрушающих металл и изоляцию.

Техническая характеристика

Исполнение........................................................................................................................ Брызгозащи

щенное

Тормоз (рис. 15.27) состоит из следующих основных узлов: статора 1, якоря 2, подшипниковых щитов 3, 4, водораспределительной коробки 5. Статор выполнен из пяти колец, каждое из которых имеет по 30 когтеобразных полюсов. Кольца изготовлены двух видов: с Т-образным (три кольца) и Г-образным (два кольца) полюсами и скреплены так, что полюсы одного кольца входят в паз другого. Между кольцами в специальных пазах размещены катушки возбуждения 6, выводные концы которых подсоединены к клеммной колодке. Для стока конденсата в нижней части статора под катушками возбуждения предусмотрены дренажные отверстия 8 с пробкой 7. В полости цилиндра выполнены два отверстия — входное 10 и выходное 11.

Якорь представляет собой сварную конструкцию, в которой два цилиндра концентрично сварены между собой и с помощью щитов приварены к ступице, размещенной на валу. Полость между цилиндрами по окружности разделена на четыре отсека. В каждом отсеке на внутреннем ци-

линдре имеется по два отверстия — входное и выходное. Со стороны водораспределительной коробки вал имеет концентрично расположенные входные, центральный сквозной — выходной каналы. В центральный канал встроена труба 9, через которую подается воздух в шинно-пневматическую муфту. Полость, образованная трубой и каналом вала, служит для прохождения охлаждающей воды. Каналы вала соединены с отверстием якоря шланговыми соединениями. На вал якоря насажены два роликоподшипника, с помощью которых якорь опирается на подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты сварные. На щите 3 имеется плата для установки тахо-генератора.

Водораспределительная коробка представляет собой цилиндрическую камеру, разделенную внутри на два отсека — входной и выходной. Принцип тормоза основан на том, что при подаче постоянного напряжения на катушки возбуждения появляется магнитный поток статора. Последний благодаря многополюсному исполнению статора индуктирует в массиве вращающего якоря вихревые токи.

Взаимодействие вихревых токов якоря с магнитным потоком создает тормозной момент. Путем регулирования тока возбуждения можно плавно изменять величину тормозного момента, при этом вся энергия торможения превращается в тепло, которое уносится охлаждающей водой.

Порошковые тормоза отличаются от индукционных тем, что воздушный зазор между станиной и якорем заполнен ферромагнитным порошком, повышающим магнитную проницаемость зазора и в результате этого величину создаваемого тормозного момента. Кроме того, посредством порошка образуется механическая связь между станиной и якорем тормоза и благодаря этому частота вращения не влияет на величину тормозного момента.

Механические характеристики электромагнитных тормозов выражают зависимость тормозного момента от частоты вращения при заданном токе возбуждения.

При п = 0 тормозные моменты индукционного и гидродинамического тормозов равны нулю. Поэтому в отличие от порошкового тормоза они не могут быть использованы для полной остановки и удержания груза на весу.

С увеличением частоты вращения тормозной момент индукционного тормоза возрастает быстрее, чем гидродинамического.

Таблица 15.14

Техническая характеристика индукционных и порошковых тормозов

Показатель

ЭМТ-4500

ЭМТ-7500

ЭМТ-10 000

ТЭП-4500

ТЭП-4500

Тормозной момент, кН-м:

номинальный

45

75

100

45

75

пусковой

60

95

120

60

80

остаточный

0,45

Номинальная частота

500

500

200

500

500

вращения, об/мин Напряжение возбужде

120

120

127

127

127

ния, В

Мощность возбуждения,

10,2

17,0

29,0

3,0

3,5

кВт

Сопротивление обмотки

0,695

3,05

18,2

9,0

возбуждения, Ом Ток возбуждения номи

135

72

10

12,0

нальный, А Масса, кг

5300

9100

8600

4200

6500

У гидродинамического тормоза момент может изменяться за счет уровня наполнения жидкостью, у электромагнитных это достигается за счет изменения тока возбуждения. При отсутствии тока в обмотке возбуждения тормозной момент равен нулю. С увеличением тока в обмотке возбуждения пропорционально возрастает момент. Указанная особенность электромагнитных тормозов облегчает их управление и создает возможность автоматизации процесса спуска инструмента.

Техническая характеристика индукционных (ЭМТ) и порошковых (ТЭП) тормозов отечественных лебедок приведена в табл. 15.14.

Тормозной момент электромагнитных тормозов выбирается согласно следующим условиям:

для индукционных тормозов Мт > Мст;

для порошковых тормозов Мт > Мст + Мин, где Мт — номинальный тормозной момент выбираемого тормоза; Мст — статический момент вращения от веса наиболее тяжелой колонны труб; Мин — вращающий момент от действия инерционных сил при наибольшей массе колонны труб и угловом замедлении е.

15.12. ОБЪЕМ СПУСКОПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Продолжительность и число циклов нагружения подъемного механизма буровой установки зависят от объема спускоподъемных операций, который определяется суммарной длиной труб, спускаемых в скважину и поднимаемых из нее за все рейсы, выполняемые в процессе бурения до конечной глубины:

Яспо    Ясп + sm

где яспо — объем спускоподъемных операций, м; ясп и яп — длина труб, спускаемых и поднимаемых за все рейсы.

В каждом рейсе, связанном со сменой долота, из скважины поднимают и спускают в нее одинаковое количество труб, длина которых равна текущей глубине забоя скважины. Длина труб, спускаемых или поднимаемых за все рейсы

S = Ясп    =    Яп    =    L1    +    L2    + ... +    Lz    + ... +    Ьк    = X Lz,

z=1

где L1, L2, ..., Lz — текущие глубины забоя скважины по порядковым номерам рейсов; L,^ — конечная глубина скважины; z^_ — номер конечного рейса.

Текущая глубина скважины зависит от проходки на долото:

hz    Lz    Lz — 1,

где hz — проходка на долото в z-м рейсе; Lz-1, Lz — глубина скважины соответственно при (z — 1)-м и z-м рейсах.

Проходка на долото и число рейсов, определяющие объем спускоподъемных операций, зависят от глубины скважины и физико-механических свойств разбуриваемых пород, стойкости используемых долот, эффективности режимов бурения и других факторов, обусловленных технологией и техникой бурения. На рис. 15.28 приведен график, на оси абсцисс которого

Рис. 15.28. График рейсов и кривая проходки

откладываются порядковые номера рейсов, а на оси ординат — значения глубины забоя скважины. Линия, соединяющая координаты полученных точек, называется кривой проходки. Фактическая кривая проходки 1, построенная по промысловым данным, представляет собой ломаную линию.


В теоретических расчетах пользуются корреляционными зависимостями, полученными путем подбора эмпирических формул. В результате рассмотрения статистических данных, полученных при бурении глубоких скважин в различных геологических районах, установлено, что кривые проходки с достаточной точностью описываются формулой

Lz = Azm,

где А и т - опытные коэффициенты.

Значения опытных коэффициентов выбирают из условия равенства сумм глубин забоя скважины за все рейсы по фактической 1 и теоретической 2 кривым проходки (см. рис. 15.28).

Коэффициенты А и т имеют значения: А > 1; 0 < m < 1. При т = 1 кривая проходки выражается линейной зависимостью, а объем спускоподъемных операций минимален. Уменьшение коэффициента т указывает на возрастание объема спускоподъемных операций.

Пользуясь приведенной выше формулой и опытными значениями коэффициентов А и т, можно определить:

ожидаемый объем спускоподъемных операций при бурении скважины заданной глубины

^спо    2s    2Lk zк + 1);

проходку на долото за z-й рейс hz = Lz - Lz-1 = Azm - A(z - 1)m = A[zm - (z - 1)m];

число рейсов за период бурения скважины до конечной глубины

Zk = (1к/А)1/т;

среднюю проходку на долото Лср = Lk/Zk = А1/т/ L(K-m)/m.

Задача кинематики состоит в определении скоростей и ускорений подъемного механизма. Заданными величинами являются высота подъема, оснастка и размеры звеньев подъемного механизма, частота вращения и характеристика используемого двигателя.

При спускоподъемных операциях высота подъема h несколько превышает длину бурильной свечи 1 (здесь h и 1,021). Это обусловлено возможностью установки бурильной колонны на клинья либо элеватор. При спуске бурильная колонна приподнимается для освобождения клиньев либо элеватора, поэтому перемещения при спусках и подъемах бурильных свечей примерно одинаковые.

Изменения скорости за время подъема и спуска одной свечи изображаются тахограммой. Для подъемных механизмов характерна трехпериодная тахограмма подъема, имеющая трапецеидальную форму (рис. 15.29). В первый период происходит разгон барабана лебедки, чему соответствует ускоренное движение крюка со скоростью, возрастающей от нуля до начальной установившейся уну. Характер изменения скорости крюка в период разгона зависит от привода лебедки и навыков управляющего ею бурильщика. Режим разгона буровой лебедки существенно не влияет на продолжительность подъема. Однако для снижения динамических нагрузок ускорение при разгоне должно быть минимальным. При линейном нарастании скорости, как показано на рис. 15.29, имеем

а1 = dv\dt = tg у = const; уну =    a1f1;    h1 =    уну t1 = a1t12/2,

где а1 — ускорение крюка при    разгоне,    м/с2; у — угол    наклона    кривой

скорости; уну — начальная установившаяся скорость крюка, м/с; h1 — путь крюка в период разгона, м; t1 — продолжительность разгона, с.

Второй период соответствует установившемуся движению крюка, при котором двигатель и барабан лебедки вращаются с постоянной частотой. Скорость подъема и период установившегося движения

Уу п Dz Лдв/60 /Тр /Т1С,

где Dz — диаметр навивки каната на    барабан лебедки, м;    гтр    —    передаточ

ное число трансмиссии лебедки; гтс — кратность оснастки подъемного механизма.

Вследствие изменения диаметра навивки при переходе каната на каждый последующий слой на тахограмме скорость подъема в период установившегося движения изображается ступенчатой прямой линией. В кинематических расчетах пользуются средней установившейся скоростью подъема

Ус.у = (Ун.у + Ук.у)/2,

где Ук.у — конечная установившаяся скорость подъема крюка, определяемая по диаметру последнего (конечного) слоя навивки каната.

Средняя установившаяся скорость подъема рассчитывается также по среднему диаметру навивки каната на барабан лебедки

Усу    П -Оср пдв/60 ^'тр ^'т.с.

Исходя из средней установившейся скорости, для второго периода подъема

а2 = 0; Ус.у = const; h2 = Ус.у t2,

где а2 — ускорение крюка, м/с2; t2 — продолжительность установившегося движения, с; h2 — путь крюка за период установившегося движения, м.

В третий период происходит торможение буровой лебедки, при котором конечная установившаяся скорость подъема снижается до нуля. При линейном изменении скорости торможения

a.3 = const;    Ук.у    =    a^;    h3    =    Ук.у    t3/2    =    a3132/2,

где а3 — замедление крюка при торможении, м/с2; Уку — скорость крюка в начале торможения, м/с; t3 — продолжительность торможения, с; h3 — путь крюка в период торможения, м.

Продолжительность подъема

t = t1    + t2    +    t3.

Для расчета продолжительности подъема на заданную высоту пользуются средней скоростью подъема, учитывающей изменение скорости крюка в период разгона и торможения лебедки:

t = h/Уср.

Средняя скорость на тахограмме подъема определяется из следующего равенства:

Уср t = Ус.у^ + t2)/2,

откуда

t + t'2 = У t + t - (Ц + t3) = У (. tl + t3

'    '    с    у    _    * с у I-*-'

2t 3    2t    y {    2t

Последняя формула показывает, что средняя скорость крюка меньше средней установившейся скорости подъема. На рис. 15.29 средняя скорость крюка выражается высотой прямоугольной тахограммы, площадь которой равна площади действительной трапецеидальной тахограммы, имеющей общее с ней основание. Прямоугольная тахограмма является расчетной и на практике неосуществима, так как при этом ускорение и замедление достигают бесконечности: а = tg 90° = да.

Отношение средней установившейся скорости к средней скорости крюка называют коэффициентом заполнения тахограммы: X = Усуср > 1.

Пользуясь коэффициентом X, продолжительность подъема на заданную высоту можно определять по формуле

t = Л/уср = h X/vc.T

Коэффициент заполнения тахограммы зависит от типа привода подъемного механизма, скорости и высоты подъема крюка. Согласно опытным данным Уралмашзавода, указанная зависимость описывается формулой

2

Х = 1 + с^. h

В зависимости от типа используемого привода с = 2,4 - для электрического, дизель-электрического и газотурбоэлектрического; с = 3,6 - для дизель-гидравлического и газотурбинного; с =    4,8    -    для дизель-

механического.

Средняя скорость спуска

^р.сп    vmax спсп,

где vmax сп - максимальная скорость, достигаемая за период спуска; Хсп -коэффициент заполнения тахограммы при спуске.

В практических расчетах согласно рекомендациям Уралмашзавода максимальная скорость спуска принимается в зависимости от длины свечи 1.

1, м................. 18    24    27    36

Vmajt, м/с ....... 2,5    2,9    3,1    3,6

Коэффициенты заполнения тахограммы: Хсп = 2 - при свободном спуске; Хсп = 1,5 - при использовании вспомогательного тормоза.

15.14. ДИНАМИКА ПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА

Динамические нагрузки в подъемном механизме буровых установок возникают при спускоподъемных операциях вследствие действия ускорения или замедления, а также упругих колебаний, создаваемых во время переходных процессов. Источники динамических нагрузок - толчки и удары, возникающие при подхвате колонны труб и переходах талевого каната на последующий слой навивки, а также из-за зазоров и монтажных смещений в сочленениях узлов и деталей подъемного механизма и его привода.

На динамику спускоподъемных операций значительно влияет состояние ствола скважины. Всевозможные уступы и каверны препятствуют равномерному движению колонны труб в скважине, поэтому в подъемном механизме возникают динамические нагрузки случайного характера. Систематическими являются динамические нагрузки, возникающие в период разгона и торможения лебедки. При прочих одинаковых условиях уровень динамических нагрузок, возникающих в процессе подъема, зависит от пусковых свойств двигателей и упругости системы, включающей силовые передачи, лебедку, талевый канат, вышку и колонну поднимаемых труб.

При спуске динамические нагрузки зависят от снижения скорости, регулируемой вспомогательным и основным тормозами лебедки, а также от упругости талевого каната, вышки и колонны спускаемых труб. Различие в

Нагрузка на крюке, кН

Скорость подъема крюка, м/с

Коэффициент динамичности Кд

150-250

1,32

2,00-1,88

250-700

1,12-0,99

1,88-1,43

700-1200

0,58-0,56

1,43-1,22

1200-1800

0,40-0,38

1,22-1,05

1800-2000

0,17-0,16

1,05-1,03

источниках и характере переходных процессов, распределении масс и упругости включаемых систем обусловливает количественные и качественные отличия динамических процессов, наблюдаемых в подъемном механизме буровых установок при подъеме и спуске колонны труб.

Опытный коэффициент динамичности учитывает динамические нагрузки в подземном механизме буровых установок

Кд = (Рст + -Рд)/-Рст,

где Рст - статическая нагрузка от собственного веса колонны труб и подвижной части талевого механизма; Рд — динамическая нагрузка.

В результате экспериментальных исследований установлено, что коэффициент динамичности для отдельных звеньев и деталей подъемного механизма буровых установок изменяется от 1,02 до 2 в зависимости от скорости подъема, определяемой мощностью привода буровой лебедки и массой поднимаемой колонны. По мере увеличения массы колонны труб скорость подъема уменьшается и при этом снижается коэффициент динамичности.

Динамические нагрузки в звеньях подъемного механизма достигают наибольших значений в период подхвата колонны труб с ротора при подъеме и в начале торможения лебедки при спуске. В табл. 15.15 приведены коэффициенты динамичности для неподвижной ветви талевого каната, полученные по результатам инструментальных измерений на буровой установке Уралмаш.

± и оборудование системы глава промывки скважин  »
Библиотека »