3 Распределение нагрузок, действующих при спуско-подъемных операциях

Эксплуатационные нагрузки, действующие на узлы и детали подъемного механизма, подразделяются на случайные и регулярные.

Случайные нагрузки возникают в результате прихватов бурильных и обсадных труб и других нарушений нормального режима работы. Уровень случайных нагрузок ограничивается допускаемой нагрузкой на крюке, регламентированной ГОСТом на основные параметры буровых установок и технической характеристикой подъемного механизма. Случайные нагрузки учитываются в расчетах на статическую прочность. На сопротивляемость усталости случайные нагрузки существенно не влияют вследствие ограниченного числа их повторений.

Регулярные нагрузки характеризуются повторяемостью однозначных нагрузок. Распределение регулярных нагрузок по величине и числу циклов подчиняется закону изменения кривой проходки. Если в формулу кривой проходки ввести в качестве множителя величину среднего веса 1 м бурильной колонны, то получим

Рейсовая нагрузка (в Н) — величина L_zq, определяющая вес бурильной колонны при 2-м рейсе:

На рис. XIII.2 показан график нагружения подъемного механизма. Из графика определяются величина и повторяемость рейсовых нагрузок. Рейсовая нагрузка достигает максимального значения в конечном рейсе, выполняемом с проектной глубины скважины:

где Р_к — конечная рейсовая нагрузка, Н; z_K —- порядковый номер конечного рейса по кривой проходки.

Конечная рейсовая нагрузка за время бурения скважины одна, а первая и промежуточные рейсовые нагрузки повторяются во всех последующих рейсах, включая конечный. Согласно этому, число циклов повторения нагрузок z-гo рейса

При спуско-подъемных операциях происходит ступенчатое изменение рейсовой нагрузки. Число ступеней рейсовой нагрузки зависит от длин бурильной колонны и свечей:

где L_z — длина бурильной колонны, равная глубине скважины при 2-м рейсе, м; l_СВ — длина бурильной свечи, м.

С учетом веса подвижных частей талевого механизма G_T для 2-го рейса существует следующее распределение рейсовой нагрузки по ступеням:

При подъеме

Очевидно, что каждая ступень нагрузки 2-го рейса будет повторяться в (z+1)-м и других последующих рейсах. Поэтому число циклов повторения ступеней нагрузки 2-го рейса, определяется как и число рейсовых нагрузок. В результате снижения проходки на долото разность ΔP_z = P_z— P_z-1 по мере углубления скважины уменьшается и ступенчатая функция распределения рейсовых нагрузок приближается к непрерывной, заданной тем или иным законом распределения. Одновременно уменьшается разность Δu_z=u_z—u_z-1 между числами ступеней нагрузки смежных рейсов.

Суммарное число циклов повторения отдельных ступеней рейсовых нагрузок равно количеству свечей, спускаемых и поднимаемых из скважины за период бурения:

Наряду с переменными рейсовыми нагрузками подъемные механизмы буровых установок испытывают многократно повторяющиеся постоянные нагрузки, действующие при подъемах и спусках незагруженного элеватора, а также при переносах свечей от устья скважины на подсвечник и обратно. Число циклов повторения каждой из этих нагрузок равно количеству свечей, поднимаемых и спускаемых за период бурения скважины:

где N_пэ и N_спэ — число подъемов и спусков незагруженного элеватора; N_пп и N_пу — число переносов свечи соответственно на подсвечник и с подсвечника к устью скважины.

Общее число циклов повторения всех видов регулярных нагрузок за период бурения скважины

Каждому циклу нагрузок соответствует определенное число циклов напряжений, испытываемых деталями подъемного механизма.

Циклом напряжений называют однократную смену напряжений, соответствующую полному периоду их изменения. Для деталей крюка, элеватора и других невращающихся узлов подъемного механизма число циклов напряжения равно числу циклов повторения регулярных нагрузок, так как в этих деталях однократная смена напряжений совпадает с периодом перемещения колонны на длину одной свечи. Для деталей, подвергающихся изгибу и вращению, одному циклу напряжений соответствует один оборот, за который происходит однократная смена напряжений по знаку.

Цикловое отношение — число оборотов вращающихся деталей подъемного механизма за период подъема одной свечи:

для подшипников шкивов талевого механизма

для подъемного вала лебедки и его подшипников

для валов и подшипников трансмиссии буровой лебедки

для цепей трансмиссии лебедки

Здесь l_св — длина свечи, м; D_ш — диаметр шкива по дну канавки, м; D_cр — средний диаметр навивки каната на барабан лебедки, м; i_i — число рабочих струн от неподвижного до рассматриваемого шкива; i_тс — кратность оснастки талевого механизма; i_ТР — передаточное число от вала трансмиссии до подъемного вала лебедки; z_ЗВ — число зубьев звездочки на валу трансмиссии: Lt — длина замкнутого контура цепи (шаг цепи).

Число циклов напряжений, испытываемых деталями подъемного механизма:

где N_р — расчетное число циклов повторения регулярных нагрузок; f — цикловое отношение для рассматриваемой детали.

Касательные напряжения, создаваемые крутящим моментом, в период подъема свечи сохраняются постоянными по величине и знаку. Число циклов касательных напряжений, создаваемых крутящим моментом, равно числу повторений регулярных нагрузок. Следует учитывать, что детали трансмиссии буровой лебедки при спусках бурильной колонны и незагруженного элеватора отключаются от лебедки и не испытывают нагрузок. При групповом приводе определенные узлы и детали трансмиссии испытывают нагрузки как при спуско-подъемных операциях, так и при работе буровых насосов и ротора.

Блоком иагружения называют совокупность нагрузок и числа циклов их повторения за период бурения скважины. Число блоков нагружения за срок службы зависит от сопротивляемости деталей и узлов подъемного механизма усталостным разрушениям.