12. 9. Согласование работы гидродинамического и ленточного тормозов

Для ускорения спуска и безопасной остановки колонн бурильных и обсадных труб необходимо обеспечить согласованную работу гидродинамического и ленточного тормозов буровой лебедки. Угловые ускорение и скорость подъемного вала лебедки при спуске с использованием гидродинамического тормоза определяются из уравнения вращательного движения

(12.31)

где I — момент инерции вращающихся масс лебедки и гидродинамического тормоза; — угловое ускорение барабана лебедки и ротора тормоза; М — вращающий момент, создаваемый под действием спускаемых масс; М — тормозной момент, создаваемый гидродинамическим тормозом. Из рассматриваемой формулы

(12.32)

Как видно, угловое ускорение пропорционально разности вращающего момента, создаваемого собственным весом спускаемых масс, и тормозного момента гидродинамического тормоза. При этом следует отметить, что уменьшение момента инерции вращающихся масс способствует увеличению ускорения и сокращению продолжительности разгона гидродинамического тормоза.

Вращающий момент, действующий на барабан лебедки, изменяется в зависимости от веса G спускаемой колонны труб:

(12.33)

Тормозной момент гидродинамического тормоза в процессе разгона нарастает пропорционально квадрату частоты вращения ротора, как видно из выражения (12.28). Если в процессе спуска тормозной момент, создаваемый гидродинамическим тормозом, достигает величины действующего вращающего момента, то ускорение становится равным нулю [см. формулу (12.32)] в дальнейший спуск происходит при равномерном вращении барабана лебедки.

Частота вращения барабана лебедки на участке равномерного спуска определяется из равенства вращающего и тормозного моментов. Пользуясь формулами (12.ЗЗ) и (12.28), из указанного равенства имеем

(12.34)

В рассматриваемом случае тахограмма спуска состоит из трех участков, соответствующих разгону, установившемуся равномерному движению и остановке спускаемой колонны трубы с помощью ленточного тормоза лебедки. На участке равномерного движения скорость спускаемой колонны труб изменяется в зависимости от уровня наполнения гидродинамического тормоза: с повышением уровня наполнения внутренний диаметр водяного кольца уменьшается и, как следует из формулы (12.34), снижается частота вращения ротора гидродинамического тормоза и соответственно скорость спускаемой колонны труб.

Для согласования работы гидродинамического и ленточного тормозов лебедки необходимо обеспечить условие: , где — предельная частота вращения барабана лебедки, допускаемая по запасу торможения ленточного тормоза.

На рис. 12.11 кривая 5 выражает предельную частоту вращения барабана лебедки в зависимости от веса спускаемой колонны труб при одинаковой продолжительности и постоянном запасе торможения ленточного тормоза. Кривая 5 построена по ранее приведенной формуле (12. 15), которая после преобразования имеет вид

(12.35)

где — тормозной момент ленточного тормоза, м; — вращающий момент, Н • м; k — коэффициент запаса торможения; I — момент инерции вращающихся масс буровой лебедки и гидродинамического тормоза, м²; — время торможения, с.

Кривые 1—4, построенные по формуле (12.28), выражают зависимость частоты вращения гидродинамического тормоза при различных уровнях наполнения от вращающего момента, действующего на барабан лебедки при спуске. На практике гидродинамическим тормозом начинают пользоваться после спуска первых 20—25 свечей бурильных труб. Первоначально открывается нижний клапан холодильника и устанавливается наименьший уровень которому соответствует внутренний диаметр d кольца жидкости, образующегося в гидротормозе. Коэффициент момента при этом составляет , а частота вращения вала гидротормоза и соответственно скорость спуска в зависимости от веса колонны труб будут возрастать согласно кривой I.

П ри весе колонны труб достигается максимально допустимая скорость спуска , соответствующая ординате точки пересечения кривых 1 и 5. Дальнейший рост скорости в результате увеличения веса спускаемой колонны труб становится опасным для ленточного тормоза буровой лебедки из-за чрезмерных инерционных нагрузок, возникающих при торможении. Поэтому при наращивании последующей свечи скорость спуска колонны труб необходимо снизить. Для этого посредством переливных клапанов уровень жидкости в холодильнике повышается до следующей отметки

. Согласно кривой 2 изменения частоты вращения вала гидротормоза, полученной по новым расчетным параметрам и , при; нагрузке скорость спуска снизится до значения

При дальнейшем наращивании колонны скорость спуска будет возрастать по кривой 2. Аналогично предыдущему при достижении нагрузки и допустимой скорости спуска , определяемой абсциссой точки пересечения кривых 2 и 5, следует в очередной раз поднять уровень жидкости в холодильнике до отметки . В результате этого гидротормоз перейдет на другой режим работы, характеризуемый кривой 3 с изменившимися параметрами и . При нагрузке скорость спуска снизится с до Дальнейшие режимы спуска определяются кривыми 3 и 4 рассматриваемого рисунка.

Как видно, при использовании гидродинамического тормоза со ступенчатым регулятором уровня скорость спуска по мере увеличения веса колонны труб снижается по непрерывно-ступенчатой кривой. По аналогии со ступенчатым приводом заштрихованные участки на рис. 12.11 пропорциональны недоиспользованной мощности ленточного тормоза буровой лебедки. 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 спуска колонны труб сокращается до минимума.