4 Талевая система

4.1 Назначение, схемы и устройство

В процессе проводки скважины подъемная система выполняет различные операции. В одном случае она служит для проведения СПО с целью замены изношенного долота, спуска, подъема и удержания на весу бурильных колонн при отборе керна, ловильных или других работах в скважине, а также для спуска обсадных труб. В других случаях обеспечивает создание на крюке необходимого усилия для извлечения из скважины прихваченной бурильной колонны или при авариях с ней. Для обеспечения высокой эффективности при этих разнообразных работах подъемная система имеет два вида скоростей подъемного крюка: техническую для СПО и технологические для остальных операций.

В связи с изменением веса бурильной колонны при подъеме для обеспечения минимума затрат времени подъемная система должна обладать способностью изменять скорости подъема в соответствии с нагрузкой. Она также служит для удержания бурильной колонны, спущенной в скважину, в процессе бурения.

Подъемная система установки (рис. III.1) представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока 4, талевого (подвижного) блока 2, стального каната 3, являющегося гибкой связью между буровой лебедкой 6 и механизмом 7 крепления неподвижного конца каната. Кронблок 4 устанавливается на верхней площадке буровой вышки 5. Подвижный конец А каната 3 крепится к барабану лебедки 6, а неподвижный конец Б — через приспособление 7 к основанию вышки. К талевому блоку присоединяется крюк 1, на котором подвешивается на штропах элеватор для труб или вертлюг.

В настоящее время талевый блок и подъемный крюк во многих случаях объединяют в один механизм — крюкоблок.

4.2 Нагрузка на талевый блок

Нагрузку на талевый блок Р_тб определяют как наибольшую нагрузку от веса колонны Р_к и веса крюка: статическая нагрузка

(III.1)

динамическая нагрузка

(III.2)

где G_к —вес крюка и элеватора со штропами; ε_к — ускорение крюка при подъеме; g — ускорение свободного падения.

Полиспастная система служит для снижения скорости движения крюка и увеличения его подъемной силы за счет снижения скорости ведущей струны каната, наматываемого на барабан. Чем больше число струн каната и шкивов участвует в работе, тем медленнее будет подниматься талевый блок с крюком. Усилия в струнах талевого каната Р_т в состоянии покоя и движения неодинаковые.

При статическом нагружении (состояние покоя)

(III.3)

где G_тб —вес талевого блока при нижнем положении крюка; G_тк — вес ²/₃ длины каната талевой оснастки.

Заменим веса отдельных элементов подвижной части талевой системы их общим весом

тогда

(Ш.4)

(Р_{к mах} — максимальная нагрузка на крюке).

Каким бы ни было усилие Р_т, динамическим или статическим, всегда

Р_т=Р₁+Р₂+ ...+Р_n, (Ш.5)

где Р₁ и Р₂, …, Р_n — усилия в несущих струнах полиспаста, находящихся между талевым блоком и кронблоком. Нетрудно показать, что в состоянии покоя эти усилия равны между собой, т. е.

Р₁=Р₂=...=Р_n=Р_в=Р_м, (Ш.6)

где Р_в и Р_м — усилия в ведущей и неподвижной струнах каната (рис. Ш.2).

Тогда усилие в любой струне в состоянии покоя

Р_с=Р_т/и_тс, (Ш.7)

где и_тс — число струн каната между талевым блоком и кронблоком, т. е. кратность полиспаста; Р_т — усилие в струнах талевого каната при статическом нагружении.

Усилие в струнах талевой оснастки при подъеме не превышает 10% наибольшего веса бурильной колонны, а при спусках и резком торможении может превышать этот вес в 1,5 раза. При движении талевой системы вследствие трения о шкивы и изгиба каната по шкиву нагрузка на струны каната неодинаковая

Р_вп = Р₁/η_ш, Р₁ = Р₂/η_ш и т.д.

(η_ш — к.п.д. струны шкива).

К.п.д. талевой системы η_тс зависит от числа шкивов, диаметра каната, степени их изношенности, нагрузки на крюке и др. Для расчетов принимают η_ш = 0,9640,97, тогда

(Ш.8)

Для практических расчетов можно использовать формулу

При небольших нагрузках и незагруженном крюке величина η_тс значительно меньше, чем при полной нагрузке.

В период установившегося движения при подъеме натяжение ведущей струны

(Ш.9)

Натяжение рабочих струн при подъеме

(Ш.10)

Натяжение неподвижной струны каната при подъеме

При спуске натяжение ведущей струны каната в период установившегося движения

(III.11)

где Р_кд..mах — максимальная нагрузка на крюке при спуске.

Силы трения при подъеме и спуске в расчетах принимают равными.

Скорость ведущей струны каната при подъеме υ_в по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20 м/с:

(111.12)

(υ_к — скорость крюка, м/с).

Число шкивов кронблока z_кб всегда на один больше, чем в талевом блоке z_тб, а число струн каната в оснастке четное:

(III.13)

Характеристика талевых систем приведена в табл. III.1.

Число шкивов, их размеры и число струн каната в талевой системе, т. е. кратность полиспаста и_тс, определяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием лебедки, скоростью навивок каната на барабан, числом рядов навивки каната, размерами, прочностью, работоспособностью, типом и стоимостью талевого каната.

Средняя частота вращения барабана лебедки (в об/мин)

(III.14)

где — средний диаметр навивки каната, м; D_о = D_б +d_к — минимальный диаметр навивки каната, м; D_б — диаметр бочки барабана, м; d_к — диаметр каната, м; D_е — наибольший диаметр навивки каната, м.

(III.15)

(z — число слоев навивки каната α=0,930,95— коэффициент уменьшения диаметра навивки за счет смятия и укладки каната).

Мощность на крюке при подъеме колонн (в кВт)

(III.16)

где Р_к — наибольшая нагрузка на крюк, МН; υ_к.ср и υ_к.min — средняя и минимальная скорости подъема крюка, м/с. Мощность на ведущей струне талевого каната

(III.17)

(υ_в.ср — средняя скорость ведущей ветви талевого каната).

Канат на барабан можно навивать в несколько слоев по винтовой линии с противоположным направлением в смежных слоях или с параллельной укладкой витков. Лучшая в отношении уменьшения износа каната — параллельная укладка, при которой коэффициент α имеет наименьшее значение. При бурении скважин одинаковой глубины в различных условиях на крюк действуют одинаковые нагрузки, но число СПО может отличаться. Если число СПО небольшое, то решающей является прочность каната.