Глава 3 спуско-подъемные операции

Основное назначение оборудования для спускоподъемных опе­раций—эффективный и безопасный спуск и подъем бурильной колонны и другого оборудования. В скважину спускают компо­новку бурильной колонны, обсадную колонну, каротажные при­боры, отклонительные устройства, оборудование для испытания и заканчивания.

Основные элементы оборудования для СПО следующие:

буровая лебедка, талевая система, включающая кронблок, та­левый блок, крюки и элеваторы; устройство закрепления мерт­вого конца талевого каната; талевый канат; буровая вышка.

На рис. 3.1 показано основное оборудование для СПО.

БУРОВАЯ ЛЕБЕДКА

 

Буровая лебедка — основной механизм установки, который обеспечивает спуск и подъем оборудования в скважину, свинчивание и развинчивание замков бурильных труб.

Основные элементы лебедки описаны ниже.

УЗЕЛ ПОДЪЕМНОГО ВАЛА БАРАБАНА ЛЕБЕДКИ

Основные элементы этого узла приведены на рис. 3.2

Барабан лебедки

Буровой канат навивается на барабан лебедки и его осевое перемещение (вверх и вниз) определяется вращением барабана. Длина каната зависит от числа шкивов талевого блока и высоты вышки. Барабан лебедки приводится в действие от основного приводного вала через промежуточные валы с помощью цепной передачи и зубчатых колес (звездочек).

Мощность вращения барабана во время подъема передается за счет сцепления пневматических муфт большой и малой ско­ростей, в результате чего талевый канат навивается на бара­бан. При спуске барабан вращается вхолостую, и канат раз­матывается за счет веса талевой системы.

Конструктивная особенность подъемного барабана—нали­чие на нем двухзаходной спиральной канавки типа «Спиралель» (фирма «Нэшнэл Сэплай»), причем ее направление парал­лельно ребордам барабана, а переход из одной канавки в со­седнюю выполнен в виде ступенек с шагом, равным шагу на­вивки каната, по 45° через каждые 180°. Такая конструкция обеспечивает параллельность витков на барабане лебедки и позволяет канату правильно навиваться при большой скорости вращения. Канавки определяют соответствующую опору для первого слоя каната по сравнению с гладким барабаном.

Существует практическое правило, согласно которому ле­бедка должна иметь мощность 1 кВт на каждые 4 м проектной глубины скважины.

Тормозная система

Основные тормоза лебедки используют для плавной подачи бурильной колонны при бурении (т. е. для поддержания на­грузки на долото), для остановки движения бурильной колонны при посадке труб на роторные клинья, а также для того, чтобы талевый канат свивался с барабана при холостом вращении. В большинстве типов лебедок применяют механические тор­моза фрикционного типа, которые обеспечивают торможение за счет контакта между тормозной лентой и шкивом, укрепленном на диске барабана лебедки.

Каждая тормозная пара включает гибкую стальную ленту и тормозные колодки из фрикционного материала, закрепленные болтами. Тормозные ленты охватывают тормозные шкивы подъемного барабана. Один конец каждой ленты соединен с концом балансира, который шарнирно закреплен в середине и соединен с обеими лентами по краям, чтобы обеспечить рав­номерное нагружение лент при торможении. Другой конец каждой ленты—подвижный и соединен через систему рычагов с тормозным рычагом бурильщика 1 (рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Схема тормозной системы:

/ — тормозной рычаг бурильщика; 2 — закрепленный конец тормоза (регулируется для установки в нужное положение); 3 — уравнительный балансир; 4 — усиливающая си­стема шарниров.

Торможение достигается за счет опускания тормозного ры­чага, который прижимает тормозные колодки к шкивам вра­щающегося барабана. При прижатии колодок к шкиву усили­вается натяжение по направлению к закрепленному концу ленты. Таким образом, неподвижный конец тормозной ленты натянут больше, чем подвижный. Бурильщик создает значи­тельное тормозное усилие на тормозной рычаг, которое усили­вается действием системы рычагов.

Система охлаждения

Торможение за счет контакта тормозных колодок и тормоз­ных шкивов барабана сопровождается выделением большого количества тепла. Это тепло должно быть быстро отведено, чтобы предупредить разрушение шкивов и тормозных колодок.

Во многих типах лебедок для отвода тепла, выделяющегося при торможении, используют водяную систему охлаждения. На рис. 3.4 приведена схема типичной системы водяного ох­лаждения. При этом важная особенность—наличие насоса, ко­торый подает воду через систему трубопроводов к водяной ру­башке шкивов и вспомогательному тормозу, после чего вода возвращается в резервуар.

Рис. 3.4. Типовая система водяного охлаждения лебедки и электромаг­нитного тормоза [1]:

/ — впускной клапан (размер по специфи­кации лебедки); II, ///—впускной клапан диаметром 50,8 мм; /V — предохранитель­ный клапан; V — резервуар, вместимость которого зависит от условий бурения, тем­пературы окружающего воздуха и т. д.;

VI — насос; / — подача по линии 3.2 л/с, Tmах нагнетаемой воды 38 ⁰С; 2 — ле­бедка; 3 — впускной трубопровод диамет­ром 50,8 мм; 4 — резьбовое соединение; 5 — трубопровод диаметром 50,8 мм, по­дача насоса 4,7 л/с, Tmax нагнетаемой воды 38⁰ С; 6 — Tmax поступающей воды 74 ⁰С; 7 — предохранительный клапан (сра­батывает при давлении 0,35 М Па); 8— подача насоса 7,9 л/с, Tmax нагнетаемой воды 38 °С; 9, 10 — линии подачи насоса и всасывания соответственно; // — мерник с пресной водой объемом 16 м³ (показа­тель оН=7—7.5): 12 —двигатель и насос.Изготовители лебедки рекомендуют давление нагнетания 0,28—0,35 МПа

 

Вспомогательные тормоза

При подъеме бурильная колонна поднимается свечами дли­ной около 28 м и более в зависимости от высоты вышки. Ско­рость снижается при подъеме последних 1,5—3,5 м свечи до минимума при посадке на роторные клинья. Таким образом, при подъеме основные тормоза не работают.

При спуске главные тормоза должны постоянно работать, чтобы уменьшить нагрузку на лебедку при данной скорости, когда не применяют вспомогательные тормоза. При наращива­нии каждой свечи нагрузка увеличивается.

Если при СПО постоянно использовать ленточный тормоз, то последний перегревается и быстро теряет тормозящие свой­ства. На практике вспомогательные тормоза дополняют основ­ные и включаются только при СПО. Вспомогательный тормоз обеспечивает постоянный тормозной момент для уменьшения скорости спуска. Основной тормоз применяют для заключи­тельного торможения каждой свечи до того, как бурильная ко­лонна устанавливается на роторные клинья.

Вспомогательный тормоз смонтирован на раме лебедки и соединяется с подъемным валом барабана лебедки с помощью подвижной муфты сцепления. Используют два типа вспомога­тельных тормозов.

Гидродинамический (или гидроматический) вспомогатель­ный тормоз (рис. 3.5, а). Этот тормоз по конструкции представ­ляет центробежный насос, работающий на воде и дающий больший амортизирующий эффект за счет нагнетания и созда­ния давления жидкости. Основные элементы гидродинамиче­ского тормоза включают узел ротора, соединенный с тормоз­ным валом, и узел статора.

Рис. 3.5. Гидроматический (а) и электромагнитный тормоза (б):

/, 4— выходная и входная водяные трубы; 2 — лопатки ротора; 3 — карман статора;

5 — ротор; 6 — магниты

Тормозной вал присоединен к валу барабана лебедки с по­мощью подвижной муфты. Тормозящий эффект образуется за счет сопротивления воды при ее циркуляции в межлопаточных каналах ротора и статора [4]. Механическая энергия ротора преобразуется в тепловую энергию воды. Количество поглощен­ной механической энергии и, следовательно, тормозящее дейст­вие пропорциональны скорости движения воды в тормозной ка­мере. Кроме того, тормозной эффект зависит от уровня жидко­сти в тормозной камере, причем максимальный эффект дости­гается, если камера полностью наполнена водой [2]. Тормозной эффект можно изменять, увеличивая или уменьшая уровень воды внутри камеры.

Вода для охлаждения фрикционного тормоза подъемного барабана нагнетается через канал в валу вспомогательного тормоза. Независимая система циркуляции обеспечивает по­стоянный поток холодной воды во вспомогательный тормоз, предохраняя его от перегрева.

Электромагнитный вспомогательный тормоз (рис. 3.5, б). Такой тормоз использует магнитные силы для торможения вра­щения подъемного барабана [4]. Он состоит из стального ро­тора, соединенного с валом тормоза; ротор находится в кор­пусе-статоре, который обеспечивает управляемое изменяю­щееся магнитное поле.

Магнитное поле статора возникает в катушках, возбуждае­мых постоянным током. Статор индуцирует магнитную электро­движущую силу в роторе, которая противодействует движению ротора и, таким образом, обеспечивает тормозной эффект. Ве­личина торможения может изменяться путем изменения интен­сивности электромагнитного поля статора.

Индуцированное магнитное поле создает в роторе вихревые токи, которые генерируют тепло. Это тепло отводится постоянным потоком холодной воды, который подается охлаждающей системой тормоза (см. рис. 3.4).

Сравнение гидроматического и электромагнитного тормозов. Основной ленточный тормоз применяют для торможения ско­рости движения свечи вблизи стола ротора, так как гидрома-тический тормоз дает меньший эффект, и поэтому торможение главным образом обеспечивается ленточным тормозом. При ис­пользовании гидроматического тормоза тормозной эффект воз­растает по экспоненциальному закону с увеличением скорости вращения, т. е. чем больше скорость спуска, например буриль­ной колонны, тем больше тормозной момент. Гидроматические тормоза обычно применяют на буровых установках с ограни­ченным электроснабжением. Если электроэнергии достаточно (например, на дизель-электрической установке), то обычно ис­пользуют электромагнитный тормоз, преимущество которого состоит в том, что его тормозной эффект зависит от интенсив­ности электромагнитного поля и легко регулируется бурильщи­ком небольшим рычагом. Таким образом, бурильщик имеет возможность более точно управлять тормозным эффектом.