Определение кпд талевой системы

 

В талевой системе канат навивают на несколько шкивов, и натяжение, создаваемое барабаном лебедки, постепенно умень­шается по направлению к неподвижной струне вследствие по­терь на трение в опорах шкивов и между канавкой шкива и ка­натом [4]. Коэффициент полезного действия талевой системы также уменьшается за счет сил внутреннего трения в канате и сил сопротивления в скважине.

Для определения кпд талевой системы при подъеме вос­пользуемся рис. 3.9.

Введем следующие обозначения: EF—кпд талевой системы;

К—коэффициент сопротивления шкива; п—число струн, иду­щих к талевому блоку, или число работающих шкивов; FL

Рис. 3.9. К определению влияния тре­ния на кпд талевой системы

/ — барабан лебедки; 2, 5 — ходовая и неподвижная струны; 3 — неподвижный шкив; 4 — кронблок; 6 — талевый блок DL — натяжение соответственно в ходовой и неподвижной

струнах.

Рассмотрим натяжение ходовой струны. Трение в первом

шкиве уменьшит натяжение FL до величины P₁=(FL)K, натя­жение во второй струне уменьшится до величины Р₂.=Р₁К, или

P2=(FL)К².

Аналогично можно записать:

Слагаемые в скобках образуют геометрическую прогрес­сию, сумма которой равна [8] К(1-Кⁿ)/ (1-K)

Таким образом

Пои отсутствии трения FL=P₁=P₂=...=Рn, в этом случае

где P_AV—среднее натяжение в струне талевой системы.

Следовательно, кпд талевой системы представляет собой от­ношение уравнения (3.4) к уравнению (3.3), т. е.

 

Пример 3.1. Найти пд для талевой системы, имеющей восемь струн каната. Значение К=0,9615

Решение. Определим по формуле(3.5)

       _EF= 0.9615(1-0.9615) _=0.842

8(1-0.9615)     

Используя уравнение(3.5) можно найти значения кпд талевой системы при коэффициенте трения шкива 0,9615 для различного числа струн каната.

Число струн _____________________________6   8     10   12

Кпд       _____________________________0,874 0,842 0,811 0,782

При спуске кпд талевой системы и натяжение в ходовой струне определяют по формулам[6]

Пример 3.2. Пусть используют талевый канат диаметром 38 мм с 10 струнами из улучшенной высокоуглеродистой стали марки «Экстра». Глубина скважины 3048 м. Бурильная колонна состоит из труб с наруж­ным и внутренним диаметрами 127 и 108,61 мм, весом 284,6 Н/м и УБТ длиной 152 м с наружным и внутренним диаметрами 203 и 71 мм, весом 21876 Н/м. Плотность бурового раствора 1200 кг/м3, кпд каната 0,9615. Тре­буется найти:

1) вес бурильной колонны в воздухе и буровом растворе;

2) вес на крюке с учетом, что вес талевого блока и крюка составляет 106572,5 Н;

3) натяжения в неподвижной и ходовой струнах каната при кпд=0,81;

4) динамическую нагрузку на кронблок;

5) коэффициент запаса прочности при спуске обсадной колонны из 177,8-мм труб весом 423,79 Н/м;

6) а также выбрать конструкцию каната для условий бурения, если проч­ность на разрыв проволоки составляет 1010 кН (см. табл. 3.1).

Решение. 1. Вес бурильной колонны в воздухе:

Вес бурильных труб + Вес УБТ = (3048—152)284,6+1 522 187,6= =1 156716,8 Н.

Вес бурильной колонны в буровом растворе:

1200 Коэффициент выталкивания х Вес в воздухе=(1-1200/7850) 1 156716,8=

=983209,3 Н. 2.

Вес на крюке HL составляет

Вес бурильной колонны в растворе + Вес талевого блока и крюка= =983209,3+106572,5=1089781,8 Н.

3. Натяжение в неподвижной струне определим по формуле (3.10)

Натяжение ходовой струны каната найдем по формуле (3.9)

4. Динамическая нагрузка на кронблок:

5. Запас прочности каната находим следующим образом:

6. Определим вес обсадной колонны из труб 177,8 мм в буровом рас­творе

 (1-1200/7850) 3048^.423,7=1097955,1 Н

 

Общий вес на крюке при спуске обсадной колонны в скважину:

Вес обсадной колонны в растворе + Вес талевого блока и крюка = =1097955,1+106572,5=1204527,6 Н.

При этом натяжение ходовой струны каната

FL = 1204527,6/(10^.0,81) = 148707,1 Н.

Таким образом, коэффициент запаса прочности при спуске обсадной колонны

DF= 1010000/148707,1 =6,8.

Работа талевого каната

Срок службы талевого каната можно оценить работой, про­изведенной при бурении, ловильных работах, отборе керна, спуске обсадных колонн и других операциях с учетом напряже­ний при нагрузках, которые связаны с ускорением и торможе­нием груза на крюке, а также с учетом вибраций и изгибаю­щих напряжений при контакте каната с канавками барабана и шкивов (стандарт АНИ Р9В, часть 4) [9].

Вследствие большого числа вариантов нагрузок АНИ реко­мендует рассчитывать срок службы каната путем оценки ра­боты каната при подъеме и спуске грузов, СПО, бурении, от­боре керна и спуске обсадных колонн. Число уравнений, необ­ходимых для нахождения срока службы талевого каната, оп­ределяется требованиями стандарта АНИ PR9B [9].

Спускоподъемные операции включают спуск и подъем бу­рильной колонны при бурении (см. гл. 1).

I. Работа при СПО подвижной части талевой системы. При спуске каждой свечи бурильной колонны талевая компоновка, включающая талевый блок, крюк, штропы и элеватор, общим весом М, проходит расстояние, приближенно равное двум дли­нам свечи (2Ls). Поэтому в данном случае работа талевого каната (3.13)

При подъеме колонны из скважины производится аналогич­ное количество работы. Следовательно, работа каната по пере­мещению талевой компоновки за один полный спуско-подъем

Для скважины глубиной D можно принять L_sn=D. Поэтому работа подвижной части талевой компоновки

II. Работа при СПО бурильной колонны. Пусть

WD= Средний вес спущенной колонны x Глубина.

Можно записать:

Средний вес= (Начальный вес +Конечный вес)/2=(Вес 1 свечи + Вес n свечей) /2.

Средний вес с учетом сил выталкивания в жидкости равен (W_eL_s + W_eL_sn)/2, где W_e —эффективный вес 1 м бурильной ко­лонны в растворе. Окончательно можно записать, что работа бурильной ко­лонны

причем влияние трения одинаково при спуске и подъеме, по­этому значения WD при подъеме и спуске бурильной колонны равны. Для работы при СПО бурильной колонны приближенно находим

III. Работа при СПО УБТ. В указанные выше уравнения необходимо ввести поправку на вес УБТ, так как предполага­ется, что бурильная колонна достигает забоя скважины.

Работа по подъему УБТ

где С—эффективный вес УБТ в растворе (рис. 3.10),

где Wd_c, Wd_p — вес соответственно УБТ и бурильной колонны в воздухе; L — длина УБТ.

IV. Общая работа при спуско - подъемных операциях

Работа талевого каната в процессе бурения при СПО опре­деляется следующими операциями [9] (см. также гл. I): 1) бу­рением на длину ведущей трубы; 2) подъемом на длину веду­щей трубы; 3) проработкой на длину ведущей трубы; 4) подъ­емом на длину ведущей трубы; 5) постановкой ведущей трубы в шурф; 6) наращиванием трубы (или двухтрубки); 7) спуском бурильной колонны в скважину; 8) свинчиванием ведущей трубы и продолжением бурения.

Первая и вторая операции составляют один цикл WD, третья и четвертая - один цикл WD, седьмая операция—1/2 цикла WD; пятая, шестая и восьмая операции —приближенно 1/2 цикла WD. Поэтому можно записать, что общая работа

При бурении с глубины d \ до ач работа талевого каната оп­ределяется по формуле

где T₂, T₁—работа талевого каната на глубине d ₂ и d ₁ соот­ветственно.

Отбор керна. При этих операциях применяется следующий порядок работ: 1) бурение на длину керноприемного устрой­ства; 2) подъем на длину ведущей трубы; 3) постановка веду­

 

щей трубы в шурф; 4) наращивание бурильной трубы; 5) спуск бурильной колонны в скважину; 6) присоединение ведущей трубы.

Первая и вторая операции составляют один цикл WD, пя­тая операция -1/2 цикла WD, третья, четвертая и шестая опе­рации—1/2 цикла WD. Поэтому общая работа при отборе керна равна удвоенной общей работе при СПО до забоя или:

Т _c =2(T_2--T₁),              (3.19)

Где Т₂- работа на один спуско- подъем на глубину d₂; на которой отбор керна прекращается до подъема коронки из скважины;  Т ₁—работа на спуско-подъем на глубину d ₁, на кото­рой начался отбор керна.

Спуск обсадной колонны. Общая работа WD в этом случае подсчитывается как при СПО бурильной колонны, но эффек­тивный вес We — это вес обсадной колонны. Кроме того, спуск обсадной колонны—это работа в одном направлении, и по­этому WD при СПО для обсадной колонны умножается на 1/2. Дополнительный вес УБТ в этом расчете не учитывают.

Поэтому можно записать, что работа при спуске обсадной колонны

где Wcs — эффективный вес 1 м обсадной колонны в растворе;

Ls—длина обсадной трубы.