книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда

в течение 1,5—2 ч в зависимости от нагрузки на крюке. Поэтому следует избегать длительного вращения квадрата при больших углах крена.

ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ БС И ПРАКТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ

Как описывалось ранее, между буровым судном и дном моря могут находиться три колонны: водоотделяющая, бурильная и об­ садная.

Рис. 83. График напряжений в водоотделяющей колонне при различной глубине моря.

Диаметр водоотделяющей колонны изменяется в практике бу­ рения в небольших пределах (порядка 300—500 мм). Потому мож­ но фактически вне зависимости от типа судна и другого применяе­ мого оборудования вычислить наибольшие напряжения в колонне при воздействии на систему внешних сил. Такие расчеты проведе­ ны для среднего диаметра водоотделяющей колонны d = 40 см при внешних нагрузках и конструкции скважины, приведенных в при­ мере расчета этой колонны; глибина моря взята в диапазоне 50— 200 м. Результаты расчета представлены на рис. 83.

Бурильная колонна находится в скважине во время всего про­ цесса бурения, будучи лишь подвешена у ротора. Бурение и про­ мывка скважины не прекращается в любую погоду, за исключе­ нием, разве только, очень жестокого шторма. Это налагает на бу­ рильную колонну особую ответственность. При определении нор­ мальных напряжений суммируют вычисленные выше дополнитель­ ные напряжения от изгиба бурильной колонны с растягивающими напряжениями от веса колонны по известной зависимости:

188

В качестве наибольшего изгибающего момента, действующего ha бурильную колонну у верхней опоры, можно взять упрощенное уравнение из табл. 16 и подставить его в уравнение (187). Допу­ скаемые напряжения могут быть доведены до предела текучести материала. Однако из-за усталостных напряжений в резьбовых соединениях труб допускаемая нагрузка понизится на так назы­ ваемый коэффициент безопасности. Этот коэффициент колеблется по данным различных авторов для верхней части колонны в пределах

ным /г=1,5. Тогда получим уравнение, связывающее перемещения сооружения с пределом текучести материала труб бурильной ко­ лонны:

Фтек

к

(188)

По этим формулам можно отыскать связь между перемещением

иэлементами бурильной колонны для любого конкретного случая.

Вкачестве примера приведем вычисления для элементов колонны,

случая, когда допускаемые напряжения доведены до предела те­ кучести. Этот случай соответствует положению судна, когда оно не ведет буровых работ, поддерживает бурильную колонну в сква­ жине лишь для промывки и расхаживания инструмента. Естест­ венно, при такой спокойной нагрузке и при отсутствии заметных скручивающих напряжений допускаемые напряжения могут быть доведены до предела текучести материала труб.

Аналогичные номограммы построены (см. рис. 84) для /г=1,5, что соответствует нормальной работе бурового инструмента при любых самых тяжелых режимах работы. Можно построить подоб­ ные диаграммы при любых исходных данных и конструкции сква­ жины.

Анализируя полученные результаты по расчету бурильной ко­ лонны, следует отметить следующее:

а) так как судно приходится проектировать на максимально возможную нагрузку, критические нагрузки, на которые ориентиро­ ваны номограммы, предполагают одновременное действие значи­ тельных внешних сил (качка, перемещения) и веса колонны на максимальном расчетном забое, а также других нагрузок (цикли­ ческих, инерционных и др.), благодаря которым от уменьшается в п раз. Конечно, сочетание таких неблагоприятных обстоятельств, когда все эти нагрузки будут действовать одновременно, возможно, но вероятность такого сочетания относительно мала;

189

б) благодаря ряду конструктивных мероприятий, эффект кото­ рых в настоящее время учесть трудно (амортизированная подвеска ротора, скругление углов перегиба для труб и др.), подсчитанные по формулам напряжения могут быть несколько снижены;

в) принятая в расчетных схемах жесткая заделка колонн по концам завышает до некоторой степени изгибающий момент, так

На основании всех предыдущих расчетных формул для различ­ ных колонн и приведенных примеров расчета их прочности, мож­ но сравнить допускаемые перемещения БС в зависимости от вида колонны. Сравнение приводится в табл. 17.

190

Из этой таблицы видно, что бурильная колонна накладывает наиболее жесткое ограничение на перемещение бурового судна.

В случае прекращения бурения или отсутствия бурильной ко­ лонны в скважине перемещения БС будут лимитироваться водоот­ деляющей колонной.

Допускаемое смещение В зависимости от глубины моря, %

Рис. 85. Номограмма для определения допускаемых переме­ щений БС по опыту применения США в зависимости от глубины скважины Н.

При конструировании бурильной колонны необходимо обратить внимание на следующее.

1. Применение в качестве забойного двигателя турбобура по­ ложительно сказывается на прочности колонны, значительно сни­ жаются скручивающие напряжения, уменьшается также вероят­ ность поломки труб в результате усталостных напряжений при

качке.

2. Снижение веса колонны особенно важно при бурении с БС, поэтому использование алюминиевых труб и применение составной колонны с уменьшающимися к забою диаметрами труб может быть оправданным, — уменьшаются помимо растягивающих напряже­ ний также и изгибающие напряжения при перемещениях БС.

191

Г Л А В А IX

АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УДЕРЖАНИЯ БС НА ТОЧКЕ

ДАТЧИКИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ БС НА ТОЧКЕ

Система удержания бурового судна может быть активной и пассивной. При активной системе удержания, т. е. такой системе, которая будучи выведена из состояния равновесия вновь возвра­ щается в него, имеется устройство, которое непрерывно подает на борт БС информацию о его горизонтальных перемещениях в море. При наличии такого устройства БС по получении сигнала о пере­ мещениях соответствующим образом реагирует на этот сигнал, возвращая сооружение на прежнее место. БС с двигательной уста­ новкой в качестве системы удержания, которая будет в дальней­ шем подробно описана, вообще немыслима без сигнального уст­ ройства. БС с системой удержания, основанной на использовании якорных канатов и якорей, может получить перемещение, превос­ ходящие допускаемые, в результате чего появляется необходимость уменьшить эти смещения с помощью активизации системы удер­ жания. Для этого устанавливают прибор, сигнализирующий о перемещениях БС от первоначального положения. Даже у БС, имеющих пассивную якорную систему удержания, необходимо осу­ ществлять контроль над перемещениями для определения момента прекращения бурения во избежание поломки бурового инстру­ мента.

Ниже будут рассмотрены вопросы конструирования и исследо­ вания работоспособности автоматической системы стабилизации бурового судна при активных системах удержания, которые нахо­ дят все большее применение в мировой практике.

Маятниковый датчик

На рис. 86 показано устройство этого датчика. С судна 3 спущен трос 7, закрепленный на дне грузом' 8. Для постоянного натяжения троса на палубе судна установлена пневматическая лебедка 2, которая создает непрерывное натяжение троса. В прое-

Рис. 86. Устройство маятникового датчика смещений.

ме корпуса судна 3 вмонтирована труба 1 с отверстиями 6, жестко скрепленная с корпусом судна. В трубе, ниже ватерлинии судна, на тросе укреплен приборный резервуар 4, имеющий строго нейт­ ральную плавучестьДля ориентации приборного резервуара во время возможного вращения судна, под действием внешних сил по отношению к главным осям судна, служит направляющая штанга 9, свободно проходящая через отверстие в приборном резервуаре и утолщенным концом заправленная в специальный паз 5, находя­ щийся на приборном резервуаре. Такая конструкция ориентирую­ щего устройства позволяет совершать судну вертикальные колеба­ ния, наклонения и горизонтальные перемещения без действия на

194

приборный резервуар. По продольной оси приборного резервуара установлена сквозная направляющая трубка 13, через которую проходит трос 7. Трос в направляющей центрируется и зажи­ мается с помощью зажимов 14. Внутри стального приборного ре­

БС будет повышаться и погрешность можно довести до миниму­ ма. В случае же динамически приложенных сил, особенно при циклических колебаниях, помимо отклонений маятника от нуле­ вого положения (вызванного смещением шкалы отсчета при на­ клонении троса), появятся отклонения и колебания маятника, вы­ званные силами его инерции.

Буровое судно на волнении испытывает три вида колебаний:

13* 195

горизонтальные колебания с амплитудой цт, вертикальную качку с амплитудой £то и вращательные колебания вокруг центра тяже­ сти судна 0т . Вынужденные колебания БС происходят с периодом

Твозмущающей силы, т. е. с частотой распространения волн о. На рис. 87 схематически показано изменение угла наклона

троса ф в зависимости от колебания бурового судна. Здесь при­ няты следующие обозначения: центр тяжести бурового судна до начала колебаний в точке zg, место подвеса троса к лебедке в точке а и крепление троса к грунту в точке О. Предполагается, что центр тяжести судна не совпадает с точкой подвеса троса на какую-то величину к, что может быть вызвано изменением на­ грузки судна или другими причинами. В результате горизонталь­ ного перемещения БС на волнении центр тяжести из положения zg переместится в положение zgl на расстояние цт. Точка подвеса троса из а переместится в Ь. Если предположить, что фаза гори­ зонтальных и вертикальных колебаний совпадает, и движение с амплитудой £то вертикальных перемещений происходит вниз от положения центра тяжести судна (это увеличивает угол наклона троса), то в этом случае центр тяжести судна переместится из положения Zgi в положение z'It а точка крепления из положения

b в положение Ь'. Если в этот момент произойдет еще наклонение судна на угол 0т в результате, например, бортовой качки, то точка крепления троса займет положение с', а какая-то фиксированная точка на тросе переместится в конечное положение е’. При малых наклонениях троса и небольшом угле крена при бортовой качке

к-—расстояние от центра тяжести судна до точки крепления троса.

Сдругой стороны дуга d V = (р—£т )ф. Суммарный угол наклона будет равен

(189)

р

а наибольшее смещение по горизонту — r)m+&0m.

Пусть центр вращения маятника находится в точке О, вес маят­ ника Р приложен в центре тяжести маятника, расстояние от цент­ ра тяжести маятника до оси вращения zM, реакция маятника на ось вращения N = P. В результате горизонтальных колебаний судна на маятник действует тангенциальное ускорение, создаю­ щее силу инерции ЕШ1, приложенную к центру тяжести маятника. В случае гармонических колебаний судна амплитудное значение тангенциального ускорения определяется выражением:091

(190)

Это ускорение создает тангенциальные силы инерции:

(1 9 1 )

196

Момент этих сил вокруг центра колебания:

Восстанавливающий момент от силы веса при наклонении маятника при ограниченных амплитудах равен Р(ргм. Дополни­ тельный возмущающий момент на ось маятника, вызванный силой трения подшипников об ось, если считать эти силы пропорцио­ нальными первой степени скорости, будет:

где kr — коэффициент трения; с — радиус силы трения.

Свободные колебания маятника без учета сил трения опреде­

Возмущающий момент будет вызван силами инерции при по­ ступательном движении судна по формуле (191) и моментом сил трения в подшипники по выражению (193). Таким образом, диф­ ференциальное уравнение колебаний с учетом действия внешних сил можно записать в виде:

При квазигармоническом изменении скорости:

Pckтф' = PckTсо cos at.

Уравнение примет вид:

Р 4эт2

/ мф" + РгмЧ>= PckTсо cos at -l-------— zM(Ля, + Щ sin at, (196)

g т2

где / м — момент инерции маятника с учетом инерции ротора, при­ нимающего сельсина и редуктора.

Если опоры оси маятника особой конструкции (на ножах), то незначительным сопротивлением в опорах ротора сельсина при повороте последнего можно пренебречь, тогда первый член в пра­ вой части уравнения (196) можно исключить и уравнение примет вид:

Это уравнение можно использовать для практических расчетов. Рассмотренный прибор сравнительно прост и может дать до­ статочно высокую прочность для определения смещения БС от точки бурения. Однако такая точность достигается при действии статических сил, при действии же динамических приложенных сил, особенно циклических (при бортовой качке), этот прибор может дать значительную погрешность, превышающую сигнал действи­

197