Устранение (или уменьшение) накопления усталостных факторов в канате (в зоне невращающегося шкива на кронблоке)

 

В талевой системе имеет место быстровыходящее из строя звено - талевый канат требующий значительных трудовых затрат и временибуровой бригады на отработку и замену, например известно[5],при бурении сверхглубокой скважины Кольской ГРЭ в интервале8-10тыс. метров ежегодно расходовалось 9 – 10бухт каната диаметром 38 мм и длиной по 1500м каждая. На Карачаганакской площади Казахстан) при бурении скважин глубиной 5000 - 5200 м расходовалось 2-3бухты каната диаметром 35 мм и длиной 1500 м каждая за год.

К концу восьмидесятых годов прошлого столетия в СССР ежегодный расход талевого каната превышал 32 тыс.тонн. Неравномерность использования ресурса талевого каната по длине в оснастке неравномерность износаобусловленная неравномерностью распределения числа циклов изгибов каната на шкивах при СПО.

Для оснастки 5х6 максимальное число изгибов имеют 7-я и 8-я струны.

Максимальное число изгибов обусловлено параметрами вышки, длиной свечи и кратностью оснастки при отсутствии отводного
шкива на кронблоке для тяговой струны.Амплитуда колебаний верхней части бурильной колонны в процессе колебаний обусловлена усилием, изменяющимся по величине от максимального веса бурильной колонны до нуля. Периодически меняющаяся при этом нагрузка вызывает циклическое удлинение и укорочение тяговой и неподвижной струны (а также всех остальных) в пределах их упругой деформации.

В силу кинематики талевой системы удлинения тяговой и неподвижной струн при росте нагрузки в цикле колебания втягиваются в систему через шкивы кронблока, за счет чего последние поворачиваются. Под действием нагрузки дополнительная длина каната (с обоих сторон кронблока) должна распределиться равномерно по всем несущим струнам, в результате чего шкивы кронблока и шкивы талевого блока также должны повернуться, но уже на угол меньший чем шкивы кронблока. При уменьшении нагрузки в цикле колебания за счет упругих сил, деформация тяговой и неподвижной струн возвращается из системы, вызывая обратный поворот шкивов, и так процесс повторяется, вызывая колебания шкивов вокруг своей оси, с частотой равной частоте вибрации колонны. В зонах периодического набегания и сбегания каната на качающихся шкивах в канате возни кают циклически повторяющиеся изгибные напряжения.

Так как в процессе бурения осуществляется подача долота и талевый блок и тяговая струна находятся в движении, то места изгибов на канате, проходящем через качающиеся шкивы будут перемещаться по канату, не создавая участков накопления циклов изгибных напряжений. Ввиду же жесткой заделки неподвижного конца, отрезок каната, расположенный в зоне огибания последнего невращающегося шкива кронблока, является участком локального накопления изгибов. При большой амплитуде и продолжительности вибрации (что обычно имеет место в процессе бурения скважин в интервале 2500-3300 м) (рисунок 2.14) срок службы каната резко сокращается, вызывая при недосмотрах тяжелые аварии с падением талевой системы.

Устранение (или уменьшение) накопления усталостных факторов в канате (в зоне невращающегося шкива на кронблоке) может быть осуществлено следующими путями:

 

 

Рисунок 2.14. Схема вибрации талевой системы

 

- исключением вибрации бурильной колонны изменением частоты вращения долота, нагрузки и сменой компоновки низа бурильной колонны;

- защемлением неподвижной струны на кронблоке (с изменением конструкции кронблока);

- переходом на талевую систему с двумя тяговыми концами;

- увеличением диаметра последнего не вращающегося шкива кронблока.

Недостатком всех типов компоновок СПК является необходимость комплектации подъемного агрегата вспомогательным тормозом, а в некоторых случаях и регулятором подачи долота на забой, т. к. подъемный двигатель не используется в режиме торможения при спуске колонн.

Преимущества подъемной части БУ с талевой системой состоят в следующем:

- простота конструкции и относительно малая стоимость элементов талевой

системы (кронблока, талевого блока, механизмов крепления неподвижного кон-

ца каната);

- легкость в обслуживании и ремонте узлов талевой системы;

В целях предотвращения локального накопления на канате усталостных явлений на не вращающемся шкиве кронблока при упругих колебаниях системы необходимо крепить (защемлять) неподвижный конец на кронблоке или сделать его подвижным, т. е. вторым тяговым. Первое предложение при его реализации снимает проблему локального износа каната в зоне последнего не вращающегося шкива и только. Реализация второго предложения (т. е. базирование СПК на талевую систему с двумя тяговыми концами) коренным образом снимает все рассмотренные недостатки. Таким образом, опираясь на данные исследований авторов, на наш взгляд наиболее рациональный путь совершенствования конструкции талевой системы - переход на талевую систему с двумя тяговыми концами (рисунок 2.15)

 

 

1 - электродвигатель; 2 - двухбарабанная лебедка; 3 - спаривающий редуктор; 4 - регулятор подачи долота; 5, 6 - барабан; 7 - кулачковая муфта; 8, 9 - муфта; 10, 11 - ленточный тормоз; 12 - подшипник.

 

Рисунок 2.15. Кинематическая схема подъемного агрегата с двумя тяговыми концами каната талевой системы

 

Поэтому в данном дипломном проекте предлагается в качестве инновационного решения использовать в компоновке буровой установкиталевую систему с двумя тяговыми концами.

Введение в систему второй тяговой струны равнозначно одновременному применению двух талевых систем с уменьшенным в два раза передаточным числом оснастки послиспаста. При тех же самых нагрузках на крюке нагрузки на канаты (в струнах оснастки) остаются такими же как при простой оснастке.

Принцип этой схемы заключается в том, что мы разъединяем подъемный вал и барабан. Последний должен быть посажен на вал посредством подшипников качения.

Между барабаном и подъемным валом поставить зубчатую одноступенчатую планетарную передачу (лучше больше, если есть возможность применения более быстроходного вспомогательного тормоза).

Перенести тормозные шкивы ленточного тормоза с барабана на подъемный вал. При таком варианте конструктивного решения существующие - вспомогательный тормоз и электродвигатель постоянного тока и режим их работы остаются без изменений.

Реализация идеи создания подъемного агрегата с двумя тяговыми концами осуществляется для того чтобы улучшить работу талевой системы, ускорить процесс СПО.

На подъемном валу установлены два барабана - один барабан длинный (аналогичен существующим барабанам) посажен на вал жестко, второй барабан короткий посажен на вал посредством подшипников с возможностью свободного вращения и подключается к барабану с помощью шинно - пневматической муфты. В качестве двигателей привода рекомендуются электродвигатели постоянного тока (один, два или четыре при двустороннем приводе).

Электродвигатели соединены с подъемным валом через зубчатый редуктор серийного производства (или их два при двухстороннем приводе).

Спуско-подъемные операции с бурильной колонной осуществляются при одновременной работе двух барабанов с использованием преимуществ от талевой системы с двумя тяговыми концами. При спуске или подъеме тяжелых колонн, а также при ликвидации затяжек и прихватов короткий барабан отключается от подъемного вала и затормаживается. Подъемный агрегат будет работать в режиме существующих комплексов.

Недостатком данного агрегата является большая длина и сложность компоновки двухбарабанного агрегата.

Увеличивающиеся проходки на долото существенно сокращают производительное время (время бурения), поэтому проблема уменьшения затрат времени на монтаж - демонтаж и транспортировку буровой установки становится весьма острой.

С учетом недостатков выявленных и описанных выше в предлагаемых подъемных агрегатах, а также с учетом тенденции в бурении, сформулируем дальнейшую задачу следующим образом.

Разработать компактный мобильный подъемный агрегат, который должен базироваться на буровую лебедку и талевую систему с двумя тяговыми концами, зубчатые планетарные передачи, приводной двигатель, работающий в режимах подъема, торможения и в режиме регулятора подачи долота на забой в процессе бурения.