5. Тепловой расчет.

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 тормозных ко­лодок и шкивов и приводит к их быстрому изнашиванию. Одновременно с повышением температуры тормозных шки­вов и колодок уменьшается коэффициент трения, что за­ставляет бурильщика увеличи­вать усилие на тормозном ры­чаге и тем самым повышать нагрузку 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, не нагруженного элеватора и периодов пауз, причем вес спускае­мой колонны за каждый цикл увеличивается на вес одной свечи.

На рис.12 приведен схематический график работы тор­моза буровой лебедки при спуске колонн. Время цикла равно сумме времени торможения при спуске, времени пауз (об­работка свечей) и времени подъема ненагруженного элеватора . Заштрихованные площади треугольников , , …, соответствуют работе торможения за каждый цикл (Дж).

Главные тормоза рассчитывают на нагрев по количеству вы­деляемой теплоты при спуске на длину свечи колонны наиболь­шего веса.

Рис.10. График нагрева тормоза при спуске колонны:

- работа торможения; - температура; - время; - продолжительность остановки; - время подъема ненагруженного элеватора; - время торможения; - время цикла спуска свечи

Меньший вес буриль­ной колонны в предыдущий момент спуска в расчете не учиты­вают.

Количество работы, которое должна поглотить тормозная система при спуске колонны на длину одной свечи (Дж), равно

(5.1)

где - длина свечи, = 14 м; - натяжение ведущей струны при спуске, определяемое по формуле:

,

где - максимальная нагрузка на крюке при спуске, - вес подвижных частей талевой системы, = 100 Н;

,

Таким образом, .

Так как величины коэффициентов теплоотдачи приведены к единице времени 1 с, условно можно принять, что количество выделяемого в тормозе тепла за 1 час будет равно:

(5.2)

где z – число свечей, спускаемых за 1 чаc, z = 4;

Следовательно:

.

При установившемся тепловом состоянии вся выделяемая теплота во время торможения отдается в окружающую среду и воде, подаваемой для охлаждения, т . е. должно равняться

(5.3)

где:

Количество излучаемой теплоты:

где - коэффициент излучения от полированной поверхности тормозного шкива площадью П₁, = 2 3 Вт/(м²К); - коэффициент излучения от шероховатой поверхности тормозного шкива площадью П₂, = 8 12 Вт/(м²К); П₁ и П₂ – площади поверхности шкива, излучающие теплоту, П₁ =0,09 м² и П₂ =0,09 м² ; - температура нагрева шкива, = 60 – 80 ⁰С; - температура окружающей среды, =20 – 35 ⁰С.

Получаем:

Количество теплоты, отводимой конвекцией воздуха при не подвижном шкиве:

где - коэффициент теплоотдачи от неподвижного шкива воздуху, = 12 25 Вт/(м²К); П₃ – площади поверхности шкива, отводящей теплоту конвекцией, П₃ =0,03 м²; ПВ – относительная продолжительность включения, ПВ = 0,4 0,6.

Количество теплоты, отводимой конвекцией воздуха, при вращающихся шкивах:

(5.4)

где - площадь боковых кольцевых поверхностей шкивов, = 0,735 м² ; - коэффициент теплоотдачи кольцевых поверхностей вращающихся тормозных шкивов, , где - скорость соответствующих кольцевых поверхностей, = 1,6 м/с, , следовательно:

Количество теплоты, отводимой водой охлаждения:

(4.5)

где - коэффициент теплоотдачи от тормозных шкивов к воде, = 2,3 кВт/(м²К); - температура отводимой воды, = 60 85 ⁰С; - площадь поверхности шкива, омываемого водой, = 0,065 м²,

Таким образом, главный тормоз рассчитывается на поглощение всей теплоты, выделяющейся при спуске колонн. Чтобы предотвратить перегрев нужно рассчитать какое же количество воды необходимо подавать для охлаждения тормозных шкивов:

(4.6)

где с_р – теплоемкость воды, с_р = 4,185 кДж/(кгК); - температура подводимой воды, = 15 20 ⁰С.

Следовательно, получаем:

Так как мощность торможения по мере спуска бурильной колонны изменяется и к концу спуска достигает наибольшего значения, то количество воды, необходимой для охлаждения в разные периоды работы, может быть различно.