6.1.1. Бұрғылау және кто кезіндегі жабдықталудағы тәлдік арқанның ұзындығы бойынша иілу (бүгілу) санының таралу заңдылығы

Тәлдік арқанның қызметтік мерзімі және көтеріп-түсіру операцияларының қауіпсіздігі арқан байланысқа түсетін үстіңгі беттегі жабдықтардың жағдайына және біріккен жұмыс режіміне тікелей байланысты.

Арқанның жұмыс жағдайына келесідей факторларды жатқызуға болады: тәлдік жүйенің шкивтері арқылы арқанның өтуіндегі иілу (бүгілу) кернеулері және шығыр барабанындағы; тартыш жүктемелер; ортаның коррозиялығы; ортаның абразивтілігі; арқанның қозғалыс жылдамдығы; арқан түйісетін жабдықтардың (тәлдік жүйе шкивтері, барабан бөшкесі) құрылымы.

Төмен тартқыш жүктемеде жұмыс істеуінде (25% үзу күшінен) арқанның істен шығуына әсер ететін факторлардың ішіндегі ең басым келентіні сымдардың тозуы (қажалуы). 25% аса жүктемеле жұмыс істейтін тәлдік арқанның қызметтік мерзімін анықтайтын доминирлеуші факторлар болып қазіргі бұрғылау құрылғыларындағы тәлдік жүйедеге және шығыр барабанының шкивтеріндегі арқанның иілу (бүгілу) мен ілгіштегі жүктемеден арқанның керілу кернеуі саналады.

Шкивтердегі жұмыс істеу барысында арқанның иілу (бүгілу) циклдері саны келесі тәуелділіктермен анықталады

(6.7)

мұндағы N – бұзылуға дейінгі арқанның иілу (бүгілу) саны; - шкив (немесе барабан) диаметрі; Т – арқандағы тартылу жүктемесі; - арқанның қажуының дәреже көрсеткіші; К – Американдық мұнай институты мәліметтері бойынша 2-ге тең, ресейлік зерттеулер бойынша 2,53 тең коэффициент; С – арқанның типтік өлшеміне және шкив диаметріне тәуелді пропорционалдық коэффициент.

(6.7) тұжырымынан көріп отырғанымыздай, бұзылуға дейінгі арқанның иілу (бүгілу) саны арқанның қисық қажу параметрлеріне және иілу (бүгілу) кернеуі шамаларына тікелей байланысты.

Қажу факторларының арқан сымдарында жинақталу үрдісі бұрғылау және шгендеу тізбектері көтеріп-түсіру операциялары барысында, сонымен бірге бұрғылау барысында орын алады.

Бұрғылау бағаналары мен тәлдік жүйенің дірілімен бірге жүретін тәлдік арқанның физикалық жүктелу үрдісі жетілдірілмеген немесе тәлдік жүйенің кинематикалық ерекшеліктерімен негізделген және 6.2-суретте берілген тәлдік жүйе сұлбасымен түсіндіріледі.

6.2-сурет. Бұрғылау кезіндегі тәлдік жүйенің тербелмелік үрдісінің сұлбасы

Кейбір мәліметтерге қарағанда, бұрғылау кезінде дірілдік жүктемелер нәтижесінде тәлдік арқандардың қажулы бұзылулары себебінен үзілу жағдайлары орын алған. Діріл бұрғылау барысында Q ілгішіндегі жүктеме жабдықталу ішектерінде бірқалыпты таралады (Т). Жүк дірілі әр ішекте тең жүктеменің айнымалы құрауышының пайда болуымен бірге жүреді, ол өз кезегінде ұзарудың айнымалы құрауышын туындатады. Мұнда әр тасымалдаушы ішек бірдей серпімді ұзаруға немесе қысқаруға ие болады. Яғни сонымен бірге жүктеменің циклдік өзгеруінде тартқыш және жылжымайтын ішектері де және шамаларына сәйкесінше ұзарады немесе қысқарады. Жүктеменің арту циклінде тартқыш және жылжымайтын ішектердің пайда болған серпімді ұзаруы барлық тасымалдауыш ішектерінде бірқалыпты таратылуы тиіс, яғни арқанның бір бөлігі перифериямен бірге (оңынан және сол жағынан да) әбзел ортасына қарай орын ауыстырады. Тартқыш және жылжымайтын ішектердің қысқару циклінде (олардағы жүктеменің азаюында) кері үрдіс орын алады – серпімді күштер әсерінен арқан осы ішектерге жабдықталу орталығынан қайта оралады. Барлық ішек бойымен және серпімді деформациялардың орын ауыстыру және таралуы әсерінен тәлдік жүйенің барлық шкивтері (кронблоктың орталық немесе тәлдік блоктан басқасы) кронблоктың шеткі шкивтерінде ең жоғары тербелу амплитудасы бар тербелмелі жағдайда болады, ал қалған шкивтерде амплитуда орталыққа жақындауына байланысы кеми түседі.

Барабанның айналуынсыз (нөлдік өтуде мүмкін) жүйенің ұзақ жұмысы барысында барлық шкивтерде қажулық факторлардың жинақталуы орын алады.

Бұрғылау белгілі бір өтумен жүретіндіктен тәлдік арқан барабаннан жүйеге түседі, ал арқанда пайда болған иілулер арқанның барлық ұзындығына таралады. Жылжымайтын ішектің тіркелген жағдайында шкивке келу және шкивтен кету зоналары бірдей келеді. Сонымен ұзақ мерзімді діріл кезінде бұрғылау барысында жинақталған қажалу факторлары орын алады, нәтижесінде арқанның қажалып тозуына алып келеді, яғни арқанның үзілуі – апаттарға әкеліп соқтырады.

Тәлдік арқанның істен шығуының басты себебі көп жағдайларда КТО кезінде қайталамалы кернеулер әсерінен материалдың қажуынан болатын сыртқы қабаттың сымдарының үзілуімен негізделеді. Мұндай кернеулерге бірінші кезекте тәлдік жүйе шкивтері арқылы арқанның өтуі кезіндегі иілу (бүгілу) кернеуі және оның шығыр барабанына орамдалу кернеуін жатқызамыз. Арқанның бүгілуінің циклдік саны оның қажу беріктілігін (ұзақ мерзімділігін) анықтайды. Тәлдік арқанның циклдік бүгілу санының оның жабдықталу ұзындығы бойынша таралу заңдылығын білу тәлдік блокты биіктікке көтеру (түсіру) кезінде бұрғылау қондырғысын жобалауда тәлдік жүйенің параметрлерін оптимизациялау мүмкіндігін береді. Оптимизациялау критериі ретінде арқанның асқын жүктелген бөлігіндегі ең төмен циклдік бүгілу саны қабылданады. Сонымен қатар бүгілулердің таралу заңдылығын білу, КТО кезінде тәлдік блоктың көтерілу биіктігін шектеу бойынша бұрғылаушыларға нұсқаулықты құрастыруға және ұңғымаларды өткізу барысында тәлдік арқанды оңтайлы өтеу әдістемесін құрастыру мүмкіндігін береді.

Циклдік бүгілудің ұзындық бойынша жабдықталуда таралу заңдылығы 6.3-суретте берілген тәлдік жүйе сұлбасын талдау арқылы алынады.

Сұлбадан көріп отырғанымыздай, тәлдік блокты төменгі бөлігінен жоғарыға көтеру кезінде КТО кезіндегі барабанға оралатын және жабдықтаудан алынған арқанның ұзындығы келесіге тең

, (6.8)

мұндағы - жабдықтауға таңдалынған және барабанға оратылатын арқанның ұзындығы; - қайта көтеру коэффициенті, деп қабылданады; - свеча ұзындығы; - тәлдік жүйенің тасымалдық қатынасы.

6.3-сурет. Тәлдік жүйенің есептік сұлбасы

Жабдықтауға қалған арқанның ұзындығы, келесіге тең

, (6.9)

мұндағы - КТО кезінде тәлдік блоктың жоғары орналасуындағы жабдықталуға қалған арқанның қалған бөлігі; - тартқыш және жылжымайтын ішектердің сәйкес ұзындықтары; Н – кронблок өсі мен төмен орналасқан тәлдік блок араларындағы қашықтық; - шкивтің науаша түбі бойынша диаметрі.

және деп беру арқылы, (6.9) келесідей тұжырымдалады

, (6.10)

Циклдік бүгілудің ұзындық бойынша жабдықталу таралу заңдылығы шкив жанында арқанның толық бүгілуі (иілу) қажу факторларының жинақталуы бойынша оның барабанда бүгілу мәніне тең келеді.

Тәжірибе көрсеткендей, бұл шарт арқанның барабанда мықты бекітілуі кезінде орындалады.

6.3-суреттен көріп отырғанымыздай тәлдік блокты көтеру кезінде бірінші (тартқыш) ішек бір бүгілуге (барабанда) ұшырайды, ал екіншіде – екі (бірі барабанда және бірі кронблоктың жылдам жүрісті шкивінде), үшіншісі – үш (бірі барабанда және екеуі шкивте) және т.с.с., ал ең жоғарғы бүгілу санына ие болған ішек келесі формуламен анықталады

, (6.11)

Алынған санның бөлшектік бөлігі бүтін санға өсуі бойынша жуықталуы керек.

Жабдықталуда қалған циклдік бүгілудің ұзындық бойынша арқанда таралу заңдылығын анықтау үшін, арқанның қозғалмайтын бқлігінің ұзындығын келесідей өрнектейміз

, (6.12)

мұндағы - қозғалмайтын соңының тартқыш ішектің ұзындығынан шығырдың түрлі орналасу деңгейіне байланысты кішігірім асып кетуі, сонымен қатар бекіту механизміндегі орамдары ұзындығы.

Есептеу нәтижелерін бақылау үшін тәлдік блоктың төмен орналасу жағдайындағы жабдықталудағы арқанның жиынтық ұзындығын анықтаймыз

, (6.13)

Тәлдік жүйенің жоғары орналасуындағы жүйеде қалған толық ұзындықты (Н+А) тасымалдау ішектерінің санын анықтаймыз

, (6.14)

(6.14) формуласының бөлшектік бөлігі бүтін санға дейін үлкен жағына қарай жуықталады.

Ары қарай жүйенің шкивтері бойынша жылжымайтын соңынан тартқыш ішекке дейінгі ішектері арқылы арқанның өтуін қарастырамыз.

Екі массив – арқанның кесінді ұзындығы массиві және осы кесінділерге сәйкес бүгілу саны массивтері түрінде берілген бүгілудің таралу заңдылығын есептеу алгоритмін құрамыз.

Арқанның қарастырылып отырған бөліктерінің ұзындықтары соммасы келесі шартты қанағаттандыруы тиіс

(6.15)

Бірінші бөлікке бүгілу саны нөлге тең жылжымайтын бөлігінің ұзындығына тең ұзындықты береміз

(6.16)

мұндағы - ұзындықтың өсу соммасы.

Жылжымайтын бөлігінен қозғала отырып,

(6.17)

Ары қарай цикл операторы арқылы әр ішектен арқанның шкив бойынша кронблоктың «жылжымайтын» шкивінен тартқыш ішекке өту заңдылығын қарастырамыз. Ол үшін бірінші учаскенің тасымалдау ішегінің анықталған ұзындығына

(6.18)

Содан кейін тең толық бірінші тасымалдау ішегінен құралған, (яғни тәлдік блоктың жоғары орналасуындағы тасымалдау ішектерінің) бөлік санын анықтаймыз

(6.19)

Циклдік режімде М=1 ден М1 ге дейінгі осы бөліктердің әрқайсысына мән береміз

; (6.20)

Бірінші тасымалдау ішектің қалған бөлік ұзындығы келесідей анықталады

; (6.21)

ал осы бөліктің бүгілу саны

; (6.22)

Бірінші бөліктің параметрі

; (6.22)

мұндағы - алдыңғы толық тасымалдау ішегінің соңғы бөлігінің параметрлері. Алынған параметрлер мәні бойынша және мәндері беріліп, есептеу ары қарай қайта қайталанады.

Тартқыш ішек ауданында орналасқан арқан бөліктері параметрлері құралымданады.

Барабанда толығымен оратылатын толық тасымалдау ішектерінің санын келесідей анықталады

; (6.23)

Циклдік режімде К=1 ден К1 ге дейінгі осы бөліктердің әрқайсысына мән береміз

; (6.24)

Есептеудің соңғы аяқталу кезеңінде соңғы бөлікке тартқыш ішектің ұзындығы беріледі, содан кейін бөліктердің барлық параметрлері, яғни массивтері инвертацияланып, ары қарай өңдеуге беріледі немесе координаталар жүйесінде тәлдік жүйенің жабдықталу ұзындығы бойынша арқанның бүгілу санының таралу тәуелділіктері түрінде - арқанның бүгілу саны - жабдықталудағы арқан ұзындығы түрінде басылымға беріледі (6.4-сурет).

Жабдықталудағы арқанның жүктелу сұлбасы тәлдік блоктың көтерілу биіктігінің азаюымен бірге (свеча ұзындығының өзгеруімен), мұнара биіктігінің өзгеруімен бірге өзгертіледі.

Егер КТО кезінде жүктелген тәлді блоктың көтеру биіктігі тұрақты деп болжамдасақ, онда бұрғылау тізбегінің әр рейсінде бүгілу (иілу) санына және ілгектің жүктемесіне пропорционал қажу факторларын қосындылау жүргізіледі.

Арқан иілу санының таралу заңдылығының БУ – 2500 бұрғылау құрылғысының көтергіш бөлігінің геометриялық параметрлерімен өзара байланысы 6.4-суретте берілген.

Бұл құрылғының мұнарасы свеча ұзындығы 25-27м көтеріп-түсіру операцияларын орындауға арналған. Осы құрылғының геометриялық қатынастарын ескерумен қатынасы (мұндағы h – шырағдан ұзындығы) 1,63 және 1,51 тең болады, ал арқанның бүгілу санының ұзындық бойынша таралу заңдылығы 6.4-суретте берілген қисық түріне ие болады.

6.4-сурет Тәлдік блокты бір свеча биіктігіне дейін көтеру кезіндегі БУ-2500 ЭҚ тәлдік жүйесі жабдықталуының ұзындығы бойынша арқанның бүгілу саны таралуының тәуелділігі

а) – 25м свеча ұзындығында, б) 27м свеча ұзындығында

Қисықтарын талдай отырып, ұзындығы 25 м свечаларында жұмыс істеу барысында арқанның ең көп жүктелген бөлігі 5-ке тең бүгілу санына ие, ал мұнара биіктігінің 1,25 м кемуі бүгілу санына, арқанның ұзақ мерзімге жарамдылығына әсер етеді. Ал 27 м свечалармен жұмыс істеу барысында арқанның ең көп жүктелген бөлігі 6 бүгілуге (иілу) ие болады. Мұндай жағдайда жүктелу үрдісінің біркелкілігін алу үшін және арқанның біркелкі ұзақ мерзімге жарамдылығына (25 м свечалармен салыстырғанда) қол жеткізу үшін мұнара биіктігін 2,7 метрге арттыру қажет. 6.4-суреттен (б) көріп отырғанымыздай 27 м свечамен жұмыс істеу барысында мұнара биіктігін 5м азайтуда арқанның жүктелген учаскелерінің бүгілу санының артуын болдырмайды (ол 6-ға тең).

Сонымен мұнара биіктігін 1,25 м азайту (свеча ұзындығы 24 м болғанда – 2,2 м) арқанның ұзақ мерзімге жарамдылығын азаюына алып келмейді.

Шкивтердегі арқанның бүгілу санының өзгеру заңдылығы мұнара биіктігіне және онымен байланысты тәлдік жүйенің жұмысшы ішектерінің биіктіктеріне, сонымен бірге бұрғылау құбырларының ұзындығына және жабдықталу түріне тікелей байланысты.

КТО кезінде түрлі биіктікті мұнара және тәлдік көтеру блок түрлі биіктікті келеді, бұл көтеру кезінде жабдықталудағы арқан бүгілу санының ұзындық бойынша таралу заңдылығының көп санын қажет етеді. Бұл таралу

6.5-сурет. Тәлдік блокты бір свеча биіктігіне көтеру кезіндегі арқанның бүгілу санының жабдықталудың ұзындығы бойынша таралу заңдылығы (4х5 жабдықталу)

6.6-сурет. Тальдік блокты бір шырағдан биіктігіне көтеру кезіндегі арқанның бүгілу санының жабдықталу ұзындығы бойынша таралу заңдылығы (5х6 әбзел)

6.7-сурет. Тәлдік блокты бір свеча биіктігіне көтеру кезіндегі арқанның бүгілу санының жабдықталу ұзындығы бойынша таралу заңдылығы (6х7 жабдықтау)

заңдылықтары 6.5, 6.6, 6.7-суреттерде берілген. Суретте Z өсінде жатқан тәлдік жүйенің және барабан шкивтеріндегі арқанның бүгілу саны жабдықталудың еселігіне тәуелді болады (6.5-суретте – 4х5 жабдықтау, 6.6-суретте – 5х6 жабдықтау; 6.7-суретте – 6х7 жабдықтау), Х өсінде тәлдік жүйенің арқан ұзындығы орналасқан және кронблоктың шкив саны Y өсінде жатқан , мұндағы Н кронблок және тәлдік блок өстері араларындағы қашықтық, h – свеча ұзындығы, А – арқанның шкивті айналу шеңберінің жартысы .

6.5 – 6.7 суреттерге негізделе жабдықталуы ұзындық бойынша арқанның бүгілу (иілу) санының өзгеру заңдылығын жеңіл анықтауға болады. Мысалыға «Уралмаш-15000» бұрғылау қондырғысының көтергіш бөлігі 3х7 жабдықталуға ие, ұзындығы 36,7 свечалармен жұмыс істеу барысында тең болады. 6.7-суреттен көріп отырғанымыздай бір свеча биіктігіне көтеру кезінде арқанға келетін бүгілу саны 8 тең болған, сонымен бірге мұнда тәлдік блоктың жүрісін 38,5м дейін арттыруға болады, бірақ ең жоғарғы бүгілу саны мұнда 9 тең болады. Мұндай иілу мәнінің артуы арқанның ұзақ мерзімге жарамдылығын төмендетеді.

Тәлдік жүйедегі жүктелген арқан бөліктерінде мүмкін болатын бүгілу саны: 4х5 жабдықтауда – 7 иілу, 5х6 жабдықтауда – 9 иілу, 6х7 жабдықтауда –10 иілу.

Жоғарыда келтірілген мысалдар, 6.5-6.7-суреттерде берілген тәуелділіктер кинематиканы бағалау және бұрғылау қондырғыларының геометриялық қатынастарын бағалау мүмкіндігін береді. Мұндай бағалауларды бұрғылау қондырғыларының көтергіш бөлігін жобалауда, пайдалану барысында жүзеге асырған абзал. Аталған мәліметтер негізінде тәлдік арқан регламенттері бойынша нұқсаулықтар, инструкциялары құрастырылып, 2001 жылы енгізілген.