11.3 Розрахунок і вибір основних параметрів

До основних параметрів бурових лебідок відносяться потужність, швидкості підйому, тягове зусилля, довжина і діаметр барабана лебідки. Від правильного вибору вказаних параметрів залежить продуктивність, економічність, габарити і маса лебідки, які вагомо впливають на ефективність буріння, транспортабельність і монтажоздатність всієї бурової установки.

Потужність лебідки визначається корисною потужністю на її барабані, яка повинна бути достатньою для виконання спуско-підіймальних операцій і аварійних робіт при бурінні і кріпленні свердловин заданої конструкції. При недостатній потужності збільшується тривалість спуско-підіймальних опе-рацій, надмірна потужність не до використовується внаслідок обмежених швидкостей підйому і приводить до неоправданих матеріальних і експлуатаційних витрат. В результаті нагромадженого досвіду встановлено, що оптимальна потужність бурової лебідки визначається з умов піднімання найбільш тяжкої бурильної колони для заданої глибини буріння з розрахунковою швидкістю 0,4-0,5 м/с [6]:

(11.1)

де — потужність на барабані лебідки, кВт;

— вага бурильної колони, кН;

— вага рухомих частин талевого механізму, кН;

— розрахункова швидкість підйому гака, м/с;

— ККД талевого механізму.

Потужність лебідки уточнюється після вибору двигунів і силових передач її приводу:

де — потужність, яка одержується від вала двигуна, кВт;

— ККД трансмісії (від вала двигуна до барабана лебідки).

В практичних розрахунках вигідно використовувати питому потужність бурової лебідки, що приходить на 1 кН вантажу, що піднімається або на 1 м глибини буріння (табл. 11.2).

Із таблиці 11.2 слідує, що питома потужність на привідному валі лебідок суттєво збільшується для установок 9 і 10 класів.

Таблиця 11.2 — Питома потужність на привідному валі лебідки (з врахуванням втрат на тертя в талевому механізмі і самій лебідці)

Клас бурової установки	Навантаження на гаку кН	Глибина буріння м	Потужність на привідному валі лебідки, кВт	Питома потужність на привідному валі лебідки, кВт
				на 1 кН піднімаючого грузу	на 1 м глибини
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	10000	2950	0,47	0,29
11	8000	12500	2950	0,37	0,24

Продовження спуско-підіймальних операцій в бурінні і паливно-енергетичні затрати, зв’язані з їх виконанням, залежить від швидкостей і числа ступені передач лебідки. Максимальна і мінімальна швидкості вибираються врахуванням вимог, обумовлених технологією буріння, роботою каната і безпекою підйому.

Максимальна швидкість підйому обмежується безпекою управління процесом підйому і граничною швидкістю ходової струни, при якій забезпечується нормальна навивка каната на барабан лебідки. Для попередження затягування талевого блока на кронблок із-за обмеженого гальмівного шляху швидкість підйому гака, згідно вимогам безпеки, не повинна перевищувати 2 м/с. Нормальна навивка каната на барабан лебідки, як показує досвід, забезпечується при швидкості ходової струни каната не більше 20 м/с. При подальшому збільшенні швидкості для нормальної навивки каната необхідно збільшити барабан, що небажано, так як пропорційно зростають крутні і згинальні моменти в деталях і вузлах лебідки.

Враховуючи відому залежність швидкості ходової струни від швидкості підйому гака

згідно розглянутим вимогам, максимальну швидкість підйому вибирають із наступних умов:

для талевих механізмів з кратністю оснастки = 2 м/с;

для талевих механізмів з кратністю оснастки = 20/ м/с.

Мінімальна швидкість піднімання — резервна і використовується для технологічних потреб: при розходженні колон бурильних і обсадних труб; при ліквідації ускладнень і аварій, зв’язаних із затяганням і прихопленням бурильних труб; при підніманні колони труб через закриті превентори; при підніманні колони труб у випадку відмови одного з двигунів приводу лебідки. Величина мінімальної швидкості підйому приймається в установлених практикою буріння межах:

м/с.

Слід відмітити, що швидкість піднімання, яка визначається виходячи з потужності проводу і допустимого навантаження на гаку, майже завжди більша ніж необхідна технологічна швидкість. Тому технологічні швидкості підйому використовуються при обмежених тягових зусиллях. Для цього в системі керування лебідкою передбачається запобіжний пристрій, який обмежує навантаження на талевий механізм і вишку.

Відношення граничних швидкостей визначає діапазон регулювання швидкостей підйому лебідки

Число ступеней передач (швидкостей) залежить від типу приводу бурової лебідки. При використанні електродвигунів постійного струму маємо безступінчату зміну швидкостей під-йому в заданому діапазоні регулювання. Залежно від навантаження по умові повного використання вихідної потужності двигуна проміжні швидкості підйому

де — ККД підйомного механізму від двигуна до гака;

— вага талевого механізму.

В даний час в приводі бурових лебідок переважно використовуються дизелі і електродвигуни змінного струму, що мають жорстку звичайну характеристику. В цих випадках число ступеней механічних передач бурової лебідки призначається з умови достатньо повного використання потужності двигунів. Степінь використання потужності характеризується відношенням потужності, яка необхідна для підйому вантажу, до встановленої потужності двигунів. В зв’язку із ступінчатою зміною ваги колони труб, що піднімають, степінь використання залежить від числа ступеней передачі лебідки із достатньою точністю визначається виразом

де — число ступеней передач бурової лебідки.

Із аналізу приведеної залежності слідує, що степінь використання потужності двигунів помітно зростає при збільшенні числа ступеней передач до 6. Подальше збільшення числа ступеней передач суттєво не впливає на степінь використання потужності двигунів і разом з тим викликає значні ускладнення конструкції і керування передачами лебідки. Тому краще обмежувати число ступеней передач для лебідок, які використовуються в бурінні свердловин глибиною до 3000 м, k = 4, а більше 3000 м, k = 6.

При дизель гідравлічному приводі число ступеней передач

де — діапазон регулювання частоти обертів гідротрансформатора.

Діапазон регулювання частоти обертів гідротрансформатора обмежується порівняно високими значеннями ККД (0,75-0,85) гідротрансформатора, при яких = 1,6-2,5. Розрахунки показують, що завдяки гідротрансформатору число ступеней передач бурової лебідки може бути зменшено до 2-3, але на практиці з метою уніфікації лебідок число ступеней передач при дизель гідравлічному, дизель механічному і електромеханічному приводах зберігається однакове. При цьому разом з уніфікацією бурових лебідок досягаються інші переваги.

При збільшенні числа ступеней режим роботи гідротрансформатора зміщаються в зону більш високих ККД, що сприяє зниженню розходу палива. У випадку відмови гідротрансформатора забезпечується більш висока степінь використання потужності дизеля. І на кінець, із збільшенням числа ступеней передач безперервно-ступінчата зміна швидкостей підйому набуває більш плавного вигляду, що сприяє покращанню тягових і динамічних властивостей лебідки.

Проміжні швидкості підйому визначаються з геометричного ряду чисел

Знаменник геометричної прогресії

(11.2)

де — число передач.

Розбивка швидкостей в геометричній прогресії дозволяє забезпечити відносно рівну зміну суміжних швидкостей, і тому більша частина швидкостей розташовані в зоні нижчих передач, які використовуються для підйому колон бурильних і обсадних труб порівняно великої ваги. Разом з цим геометричний ряд передач дозволяє зберегти степінь завантаження бурової лебідки при переході з одної передачі на наступні:

де — навантаження і швидкість підйому гака на і-й передачі;

— те ж на (і-1)-й передачі.

Одержані значення швидкостей підйому уточнюються при кінцевій доробці кінематичної схеми і конструкції лебідки.

Опускання здійснюється під дією своєї ваги рухомої частини талевого механізму і вантажу, що опускається. Швидкість опускання обмежується допоміжним гальмом. Разом з тим лебідки оснащуються зворотнім ходом, число ступеней якого залежить від двигунів, що використовуються. Лебідки, що приводяться від електричних двигунів, дістають зворотній хід за рахунок реверсування двигунів і тому мають однакове число прямих і зворотних передач. Теплові двигуни не реверсуються, тому для зворотного ходу лебідки використовується спеціальна зубчаста пара, встановлена в ланцюговій коробці зміни передач або в редукторі силової трансмісії. Залежно від цього в лебідках, що приводяться тепловими двигунами, число передач зворотного ходу може бути менше або рівне числу передач прямого ходу.

Діаметр барабана лебідки вибирають залежно від діаметра талевого каната

(11.3)

Із зменшенням діаметра барабана пропорційно знижуються діючі на підйомний вал лебідки крутні згинальні моменти, пропорційно квадрату діаметра зменшується момент інерції барабана і в результаті знижуються динамічні навантаження при різкому гальмуванні. Проте при надмірному зменшенні діаметра барабана погіршується навивка каната. На втомні пошкодження каната діаметр барабана суттєво не впливає, так як число перегинів каната на барабані в 10-15 раз менше, чим на шківах кронблока і талевого блока.

В кінематичних і силових розрахунках підйомного механізму необхідно враховувати прирости діаметра навивки барабана в результаті багатошарової навивки каната на нього. Число шарів навивки залежить від довжини свічки l що піднімають, кратності оснастки талевого механізму, діаметра каната, довжини і діаметра барабана. На рис. 11.8 приведена номограма для визначення числа робочих шарів навивки каната на барабан. Одержане по номограмі значення х заокруглюють до першого цілого числа m і потім з врахуванням першого неробочого шару визначають кінцеве число шарів навивки:

Приклад: Дано: = 1350 мм, = 2 мм, оснастка талевої системи 5х6, = 750 мм, = 35 мм; = 1,4.

Відповідь: = 2,35. Приймаємо m = 3.

Рисунок 11.8 — Номограма для визначення числа шарів навивки каната на барабан лебідки

Діаметр кінцевого шару навивки каната на барабан

(11.4)

де = 0,93 — коефіцієнт, який враховує зменшення діаметра навивки в наслідок зміщення каната на проміжку між витками нижнього шару.

Середній діаметр навивки

де — діаметр 1-го шару навивки каната на барабан.

Довжина барабана вибирається з розрахунком, щоб при заданому його діаметрі забезпечити навивку каната в три-чо-тири шари. При цьому слід врахувати конструктивно допустиму довжину підйомного вала, а також вимоги, які забезпечують нормальні умови переходу каната на наступний шар у дисків барабана. У випадку недостатньої довжини барабана ускладнюється перехід каната на наступний шар в наслідок тертя між ходовою струною каната і дисками барабана. На довгому барабані навивка порушується із-за великого відхилення ходової струни каната від площини обертання направляючого шківа кронблок.

Згідно дослідних даних, мінімально допустимий кут відхилення ходової струни каната = 0 45. Максимальне відхилення залежить від натягу каната і частоти обертання барабана.

	115	130	145	145
Коефіцієнт запасу міцності каната	>4	>4	<4	<4
Частота обертання барабана, об/хв.	>100	<100	>100	<100

Лебідки піддаються різним поєднанням натягу каната і частоти обертання. На “швидкій” швидкості підйому частота обертання барабана досягне 300-400 об/хв, а натяг каната незначне, тому запас його міцності значно більше 4. На “тихих” швидкостях натяг каната зростає, а частота обертання понижується до 50 об/хв. Для нормальної навивки каната барабана при вказаних поєднаннях запасу міцності каната і частоти обертання барабана лебідки максимальний кут відхилення ходової струни, згідно приведеним даним, не повинен перевищувати 115. Таким чином, допустимі кути відхилення ходової струни талевого каната від площини обертання направляючого шківа повинна бути в границях:

По допустимих відхиленнях ходової струни талевого каната довжина барабана можна вибирати в границях

(11.5)

де — довжина барабана;

— відстань між осями підйомного вала бурової лебідки і напрямного шківа кронблоку.

Кінцева довжина барабана визначається з врахуванням числа шарів навивки каната і конструктивно допустимої довжини підйомного вала бурової лебідки. Для розрахунку довжини барабана залежно від числа шарів навивки можна використати номограму, приведену на рис. 11.8.

Розрахунки на міцність деталей і вузлів лебідки виконуються по тяговому зусиллю, яке виникає при допустимому навантаженні на гак, з врахуванням ваги рухомих частин талевого механізму, кратності оснастки і втрати на тертя при підніманні.

Шляхом зміни кратності оснастки можна отримати близькі по величині тягові зусилля для лебідок, які використовуються в бурових установках суміжних класів. Завдяки цьому скорочується номенклатура лебідок та інших агрегатів підйомного механізму, що використовують в бурових установках різних класів.