4.3. Выбор оснастки талевой системы и расчет мощности привода лебедки буровой установки
Талевая система применяется для производства спуско-подъемных операций при бурении.
Талевая система буровой установки включает кронблок 1, установленный на вышке или мачте, талевый блок 2, лебедку 3, свободный конец талевой системы, которые могут закрепляться на основании буровой установки 4, на кронблоке 5 или на талевом блоке 6 и талевый канат (рис. 4.2).
В геологоразведочном бурении используются талевые системы для бурения на прямом канате (рис.4.2, а), с креплением свободного конца каната к основанию установки – талевая система с неподвижным концом каната (рис.4.2, б, в) и с креплением свободного конца каната к талевому блоку или к кронблоку (рис.4.2, г, д).
Способы крепления каната к кронблоку или талевому блоку, а также бурение на прямом канате создают невыгодную асимметричную нагрузку на вышку или мачту и поэтому могут применяться только при небольшой высоте вышки (мачты) и соответственно при ограниченных нагрузках на них. Поэтому схемы талевой оснастки, показанные на рис.4.2, а, г, д могут применяться только при небольшой глубине скважин
Для бурения скважин на более значительные глубины следует применять оснастки талевой системы с неподвижным концом каната, которые обеспечивают равномерную нагрузку на вышку.
При
выборе оснастки талевой системы
рассчитывают количество подвижных
ветвей каната в оснастке:
,
(4.31)
где Gкр – нагрузка на крюк при подъеме бурового снаряда (рассчитывается по формуле (4.7), кН;
Рл – грузоподъемность лебедки (принимается из технической характеристика буровой установки), кН;
ηс – коэффициент полезного действия талевой системы (рассчитывается по формуле 4.6).
В практике геологоразведочного бурения чаще всего используются следующие схемы талевой оснастки: 0×1 (на прямом канате, см. рис.4.2, а ), 1×2 (рис.4.2, б), 2×3 (рис.4.2, в). Коэффициент полезного действия для них составит:
|
m |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
ηc |
0,96–0,97 |
0,95–0,93 |
0,92–0,9 |
0,9–0,88 |
Из всех систем оснастки самой скоростной будет система оснастки на прямом канате. В то же время такая система отличается минимальной грузоподъемностью. По мере повышения количества струн оснастки ее грузоподъемность увеличивается, но снижается скорость перемещаемого груза на крюке. С целью сокращения времени на спуско-подъемные операции оснастку талевой системы с увеличенным числом ветвей следует применять с определенной глубины, которую можно рассчитать по формуле (4.31), решив ее относительно L (значения глубины) при m=1.
Применив формулу (4.7), получим [14]:
.
(4.32)
где Кд – коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления при подъеме труб из скважины, возникающие из-за кривизны скважины и труб;
αc – коэффициент, учитывающий вес соединений труб;
q – вес 1 метра труб, Н/м;
Lc – длина колонны труб, м;
-
относительная плотность очистного
агента и материала труб (стальных труб
= 7,85; для легкосплавных
= 2,8);
θср – среднее значение зенитного угла на интервале длины поднимаемых труб, радиан;
fтр – коэффициент трения труб о стенки скважины ( fтр =0,3–0,5).
До этой глубины спуско-подъемные операции следует проводить на прямом канате.
Мощность двигателя на подъем бурового снаряда рассчитывается по формуле (4.4).
Скорость подъема крюка с весом рассчитывается по формуле
,
(4.33)
где vб – скорость навивки каната на барабан (принимается по технической характеристике бурового станка, но на прямом канате не более 2 м/c), м/c.
Для повышении износа и срока службы талевого каната на кронблоке устанавливают шкивы максимально большего радиуса, поскольку предел текучести материала, из которого изготовлен талевый канат, при его перегибе на шкиве определяется зависимостью:
, (4.34)
где Е– модуль упругости материала, из которого изготовлен талевый канат, МПа;
dк –диаметр талевого каната, м;
Dш – диаметр шкива, м;
σт – предел текучести материала, из которого изготовлен талевый канат, МПа.
Таким образом, из формулы следует, чем больше диаметр шкива и меньше диаметр каната, тем выше запас его прочности по условию текучести материала. Диаметр каната выбирают исходя из усилия растяжения, возникающего в канате, шкив целесообразно использовать максимально возможного диаметра, что и определяет размер шкивов современных буровых установок ведущих производителей бурового оборудования.
С целью сокращения времени на спуско-подъемные операции подъем бурового снаряда должен производиться с полным использованием мощности двигателя станка и располагаемого диапазона частот вращения барабана лебедки. Для определения рационального режима подъема бурового снаряда следует рассчитать длину бурового снаряда, который может быть поднят при различных частотах вращения барабана лебедки. Эта длина может определять из зависимости:
,
(4.35)
где N – номинальная мощность двигателя, Вт;
Gкр – нагрузка на крюке, Н;
L – длина бурового снаряда, м;
η – коэффициент полезного действия талевой системы;
vкi – скорость подъема крюка с грузом на определенной ступени регулирования скорости подъема (например, определенной скорости коробки передач), м/c.
При дизельном приводе отбираемая мощность при спуско-подъемных операциях не должна превышать 0,7–0,8 от мощности двигателя N.
В результате может быть рассчитана длина бурового снаряда (количество труб или свечей), поднимаемого на каждой скорости работы лебедки при условии полного использования возможностей буровой лебедки и мощности двигателя станка.
Длина бурового снаряда и количество свечей, которые может быть подняты на первой скорости работы лебедки, равны:
.
Длина бурового снаряда и количество свечей, которые может быть подняты на второй скорости работы лебедки, будут равны:
.
Длина бурового снаряда и количество свечей, которые могут быть подняты на третьей скорости работы лебедки, равны:
,
и т. д.
При выполнении расчетов следует иметь в виду, что для геологоразведочных буровых установок максимальные скорости подъема бурового снаряда регламентированы: при длине свечи lсв=4,7 м максимальная скорость подъема составляет 1,6 м/с; при длине свечи lсв>4,7 м – 2 м/с.
Пример 7. Рассчитать возможную глубину бурения скважины диаметром 112 мм при работе станка СКБ-4 при следующих исходных данных: бурение осуществляется бурильной колонной СБТМЗ-50 и твердосплавной коронкой с нагрузкой 14,0 кН с частотой вращения 280 мин-1 с промывкой скважины водой.
Воспользуемся формулой (4.28) с входящими в нее значениями, предназначенными для расчетов при бурении твердосплавным инструментом.
Вес 1 м снаряда по справочникам [14] равен 72 Н/м.
Подставив полученные данные в формулу (4.22), получим:
=266
м
Таким образом, в случае необходимости применения твердосплавного бурения скважин диаметром 112 мм возможная глубина бурения при работе станка СКБ-4 составит примерно 260 м.
Пример 8. Бурение вертикальной скважины производится на глубину 800 м станком СКБ-5. Бурильные трубы СБТН-54, длина свечи 14 м, промывочная жидкость – вода.
Рассчитать оснастку талевой системы с определением глубины перехода с одной оснастки на другую, а также для конечной глубины бурения установить количество свечей, поднимаемых на разных скоростях лебедки.
Исходные данные: Pл = 35 кН; q = 6, 48 кг/м, kпр=1,2.
Рассчитаем нагрузку на крюк (формула 4.7) при подъеме колонны бурильных труб из скважины:
кН,
т.е.
Gкр>Рл.
Таким образом, подъем колонны бурильных труб при значительной глубине скважины должен производиться с оснасткой талевой системы. Рассчитаем глубину, до которой подъем колонны можно осуществлять на прямом канате. По формуле (4.32) получим:
м.
Определим необходимую оснастку талевой системы, которую следует использовать с глубины 500 м. Находим по формуле (4.31) количество подвижных ветвей в оснастке:
т.е. должна применяться оснастка талевой системы 1×2.
С целью ускорения спуска-подъема колонны рассчитаем рациональный режим подъема бурильной колонны из скважины для конечной глубины бурения. Для этого по формуле (4.33) определим длину бурового снаряда, который может быть поднят на разных скоростях работы лебедки. Предварительно определим q0 , который составит 66,59 Н/м. На первой скорости работы лебедки
м/c;
м;
на второй скорости лебедки
м;
м;
на третьей скорости работы лебедки
м;
м;
на четвертой скорости работы лебедки
м;
м.
Количество свечей, поднимаемых на разных скоростях работы лебедки, составит:
м,
или 365/14=26 cвечей.
l2 = 435 – 278 = 157 м, или 157/14 = 11 свечей.
l3 = 278 – 209 = 69 м, или 69/14 = 5 свечей.
l4 = 209 м, или 209/14= 15 свечей.
Всего в колонне бурильных труб 57 свечей, которые должны быть подняты из скважины.