Влияние вибрации и заделки неподвижной струны при спускоподъемных операциях и бурении на расходование ресурса талевого каната по длине в оснастке талевой системы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

БУРЕНИЕ

УДК 622.24.053.4

A.A. лысков, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, e-mail: LyskovAA@yandex.ru

влияние вибрации и заделки неподвижной струны при спускоподъемных операциях и бурении на расходование ресурса талевого каната по длине в оснастке талевой системы

В связи с ростом объемов бурения скважин обеспечение рациональной отработки и расходования ресурса талевого каната является важной задачей для повышения надежности и эффективности работы бурового оборудования. Приведены факторы, вызывающие вибрацию талевой системы. Приведены особенности заделки неподвижной струны. Рассчитан срок службы талевого каната в режиме вибрации. Выявлены зоны накопления усталостных факторов при бурении и спуско-подъемных операциях в режиме вибрации. Дан оценочный учет влияния заделки неподвижной струны и вибрации для обеспечения эффективной работы талевого каната.

Обеспечение рациональной отработки и расходования ресурса талевого каната является важной задачей для повышения надежности и эффективности работы бурового оборудования в связи с ростом объемов бурения нефтяных и газовых скважин.

Колебательный режим работы талевой системы наиболее ярко выражен в процессе бурения, а также в отдельные периоды спуско-подъемных операций (СПО). Динамические нагрузки возникают, как правило, при нагруженной системе - в процессе бурения, а также в период нагружения талевой системы, в период разгона при подъеме загруженного крюка и в период замедления-торможения системы при спуске. Кроме того, колебательный характер нагрузки имеет место при спуске и подъеме крюка из-за неравномерности навивки каната на барабан, обусловленной особенностями кинематики многослойной навивки.

Как правило, динамические нагрузки имеют относительно большую частоту по сравнению с изменением частоты

основной нагрузки (1-8 Гц) и имеют изменяющуюся в широких пределах амплитуду напряжений.

Следует отметить, что характер динамических колебаний в элементах талевой системы при СПО в принципе отличается от характера колебаний в процессе бурения. В первом случае источником вынужденных колебаний является неравномерность навивки каната на барабан (т.е. неравномерность движения тяговой струны). При этом максимальные размахи динамических усилий имеют место в тяговой и неподвижной струнах, а сами усилия в этих струнах находятся в противофазе. В средних струнах динамическая составляющая усилий минимальна. Во втором случае источником вынужденных колебаний системы является буровое долото с бурильной колонной, и эти колебания проявляют себя в большей степени при роторном бурении. Динамические нагрузки в этот период во всех струнах талевой системы примерно одинаковы и находятся в одной фазе.

Количественная оценка влияния динамических нагрузок на накопление усталостных факторов может быть сделана исходя из кривой усталости проволок каната:

-14, , (1)

где о0, т, N0 - параметры кривой усталости материала проволоки; РК1 - размах колебаний в канате от нагрузки 1-го уровня; 2Fi - суммарная площадь сечений всех проволок; N5 - число циклов колебаний нагрузки на 1-м уровне:

N ^,./, , (2)

где ^ - продолжительность работы при динамических колебаниях 1-го уровня; /] - частота колебаний системы на 1-м уровне нагрузок.

Физический процесс нагружения талевого каната в период бурения, сопровождающегося вибрацией бурильной колонны и талевой системы, может быть объяснен с помощью схемы талевой системы, представленной на рисунке 1.

Т±АТ

Рис. 1. Схема колебательного процесса талевой системы

По промысловым данным, в процессе бурения наблюдались случаи, когда вибрационные нагрузки приводили к обрывам талевых канатов вследствие усталостных разрушений в местах огибания последнего (невращающегося) шкива кронблока неподвижным концом каната, т.е. в зоне, которая не проходит через подвижные шкивы талевой системы и не подвергается, казалось бы, циклическим перегибам.

При бурении без вибрации нагрузка на крюке Q равномерно распределяется по струнам оснастки (Т). Вибрация системы сопровождается появлением переменной составляющей нагрузки в каждой струне, равной ±Д0, которая, в свою очередь, вызывает переменную составляющую удлинения ДL. При этом каждая несущая струна имеет одинаковое упругое удлинение или укорочение. Аналогично удлиняются или укорачиваются за цикл изменения нагрузки ±ДТ тяговая и неподвижная струны соответственно на величину ДLT и ДLH. В цикле увеличения нагрузки появляющееся упругое удлинение тяговой и неподвижной струн должно быть распределено равномерно по всем несущим струнам, т.е. часть каната будет перемещаться с периферии (справа и слева) к центру оснастки. В цикле же укорочения тяговой и неподвижной струн (при уменьшении в них нагрузки) идет обратный процесс - под действием упругих сил канат возвращается к этим струнам из центра оснастки. Под действием перемещения и распределения упругих деформаций Д1_т и Д1_н по всем струнам все шкивы

талевой системы (кроме центрального на кронблоке или талевом блоке) будут находиться в качающемся состоянии с максимальной амплитудой качания на крайних шкивах кронблока, на остальных же шкивах амплитуда уменьшается по мере приближения к центральному. Каждое качание шкива сопровождается циклом изгиба каната в зоне набегания на шкив и сбегания со шкива. При длительной работе системы с вибрацией без вращения барабана (что возможно при нулевой проходке) будет иметь место накопление усталостных факторов в ограниченных зонах набегания и сбегания всех шкивов (кроме центрального). Однако так как бурение сопровождается определенной проходкой, то талевый канат поступает с барабана в систему,

а возникающие изгибы каната на всех качающихся шкивах (кроме последнего невращающегося на кронблоке) распределяются по длине каната. В силу фиксированного положения неподвижной струны ее зоны набегания на шкив и сбегания со шкива также будут одни и те же. Поэтому при больших длительно действующих вибрациях в процессе бурения зона набегания неподвижной струны на последний шкив и сбегания с него является локальной зоной накопления усталостных факторов, что приводит к катастрофическому усталостному износу каната, сопровождающемуся в некоторых случаях обрывами каната - авариями.

В связи с тем что при СПО динамические колебания в талевом канате обу-

Взвешивание во взрывоопасных зонах

РОССИЯ (Европейская часть)

Flintec Ru,

125373, г. Москва, бульвар Яна Райниса 37, оф. 92 т/ф (495) 949 36 92 e-mail: flintec@mail.ru web: www.flintec.ru

РОССИЯ (Большой Урал, Сибирь, Дальний Восток) ООО "Весовая Техника"

454084, г.Челябинск, ул.Болейко 4Б, оф. 1 т/ф.: (351) 210-218-8, 210-218-9 т. (351) 727-19-10 ICQ 426442130 e-mail: info@flintec.chel.ru web: www.flintec.chel.ru, web: www.flintec.com

i

i

[

'-í, je

¡Se I

Самоцентрирующийся тензодатчик 11СЗ-0Ех1а11СТб/Т5 и весовой модуль 5520

Краткие достоинства:

-нагрузочная способность 7/15/20/30/40/50/100/150/300 тонн;

- защита от опрокидывания;

- защита от вращения;

- защита от чрезмерных продольно-поперечных перемещений;

- шунтирующий кабель в комплекте.

на правах рекламы

БУРЕНИЕ

Таблица 1. Показатели испытаний на усталость талевых канатов при изгибах на шкивах

Диаметр каната dk, мм Временное сопротивление разрыву материала проволок, сгВ, МПа Растягивающее усилие в канате, ТБ, кН Число циклов двухсторонних изгибов каната до разрушения, NB Коэффициент пропорциональности, С

25 1666 105,5 44,8.103 2,б4.103

2S 1666 93,3 69,2.103 4,б5.103

32 1666 122,3 51,2-103 8,14.103

словлены неравномерностью движения тяговой струны, порождаемой кинематикой многослойной навивки каната, и в процессе СПО все струны талевой системы (кроме неподвижной) находятся в движении, зоны накопления усталостных факторов будут только на участках набегания и сбегания неподвижной струны на последнем шкиве кронблока, находящегося в качательном движении.

Динамический характер изменения нагрузки в талевой системе обуславливает особенности колебательного процесса в неподвижной струне. В некоторых случаях отраженные от механизма крепления продольные волны накладываются на возмущающие волны, идущие со стороны шкива, что приводит к возникновению больших результирующих растягивающих динамических нагрузок и, как результат, к возможности локального усталостного разрушения каната на неподвижной струне.

Снижение динамических нагрузок в талевой системе при СПО достигается применением двигателей в приводе буровой установки с гибкой характеристикой и в первую очередь - двигателей постоянного тока, а также улучшением условий навивки каната на барабан.

Снижение вибраций талевой системы при бурении можно достичь переходом с роторного бурения на бурение с помощью забойных двигателей, применением наддолотных амортизаторов, применением каната с пластиковым слоем, применением футерованных пластиком шкивов и пр.

Пример. Определить срок службы талевого каната, работающего в режиме вибрации при бурении. Исходные данные:

• глубина скважины: L=3000 м;

• погонный вес бурильной колонны: q=0,36 кН/м;

• диаметр талевого каната: dК=25 мм;

• кратность оснастки талевой системы: иТС=10 (оснастка 5хб);

• диаметр шкивов талевой системы по дну желоба: DШ=900 мм;

• частота колебаний бурильной колонны: /=2 Гц;

• вес подвижных частей талевой системы: GТС=50 кН.

Из таблицы 1 (показатели испытаний на усталость талевых канатов) имеем для ^=25 мм базовое нагружение с базовым усилием ТБ=105,5кН, с базовым числом циклов двухсторонних изгибов N5=44800.

Усилие в талевом канате при СПО:

QBK+GTC 0,36-3000+50

UT

10

,

где QБК=q.L - вес бурильной колонны. Размах колебаний усилий в канате (см. рис. 2):

R=2TК=113•2=22б кН.

При равенстве 13=ТБ срок службы каната в часах:

. 1\1Б 44800 ,.

/"Гзбоо" ' чаи.

Так как 1}>ТБ, то необходимо учесть усилие в степени т (Тт), где т=1,65 -показатель степени кривой усталости каната:

kt=

226

105,5

1,65

,

Рис. 2. Схема колебаний

то есть срок службы каната будет равен:

Гшк=й=1'8 часа-

Талевая система характеризуется наличием неподвижной струны, которая вносит особенности в режим нагружения талевого каната по длине в оснастке. Поскольку канат обладает упругостью (в пределах закона Гука: а^.Е, AI=.L, где а - напряжение растяжения, е -относительное удлинение, Е - модуль упругости, Д1 - абсолютное удлинение, L - длина элемента), то даже последний невращающийся шкив кронблока при возникновении усилия на канат будет подвижен из-за перемещения каната на некоторую величину Д1. Канат в этом месте будет перегибаться и за цикл спуска-подъема талевого блока совершит в этом месте один изгиб. В свою очередь, и возле других шкивов блоков канат совершит подобное перемещение и совершит один изгиб и будет продолжать движение, что было учтено в методике моделирования каната числами изгиба по длине в оснастке [1], [2].

Однако подвижность невращающегося шкива кронблока из-за удлинения каната возле заделки неподвижной струны при растягивающем нагружении исследователями учтена еще не была. Таким образом, даже без учета вибрации при работе талевого каната в талевой системе возле невращающегося шкива кронблока канат будет испытывать один изгиб на шкиве.

На основе изучения факторов, вызывающих вибрацию талевой системы при СПО и бурении,установлено, что учет вибрации и при СПО, и при бурении должен производиться только в зоне невращающегося шкива кронблока. Для оценки влияния заделки неподвижной струны и вибрации при СПО и бурении на расходование ресурса талевого каната по длине в оснастке талевой системы в этой зоне, выделим три случая:

а) без учета вибрации (когда вибрация в талевой системе отсутствует и действует только влияние заделки неподвижной струны), это возможно при нетяжелых условиях бурения,с использованием наддолотных амортизаторов, цифровых регуляторов подачи нагрузки на долото, с использованием футерованных или пластиковых шкивов талевой системы, а также пластикового слоя в талевом канате, при использовании желобчатых накладок на барабане лебедки с контролируемой равномерной укладкой каната на барабан; при этом влияние заделки в зоне невращающегося шкива кронблока приравнивается к одному циклу изгиба на шкиве за цикл спуска-подъема талевого блока;

б) незначительная вибрация (например, при бурении забойным двигателем, при СПО с неконтролируемой укладкой каната на барабан с желобчатыми накладками) и влияние заделки неподвижной струны; при этом влияние нагрузки от вибрации и влияние заделки неподвижной струны в зоне невращающегося шкива кронблока приравнивается к половине от максимального числа изгибов на шкивах;

в) значительная вибрация (например, при роторном бурении, при СПО с неконтролируемой укладкой каната на гладкий барабан) и влияние заделки неподвижной струны; при этом влияние нагрузки от вибрации и влияние заделки неподвижной струны в зоне

Рис. 3. Зона влияния вибрации и заделки неподвижной струны при отсутствии отводного шкива возле неподвижной струны

Рис. 4. Зона влияния вибрации и заделки неподвижной струны при наличии отводного шкива возле неподвижной струны

Рис. 5. Загруженность каната в оснастке (без отводных шкивов) а) без учета вибрации, с учетом заделки неподвижной струны; б) с учетом незначительной вибрации и учетом заделки неподвижной струны; в) с учетом значительной вибрации и учетом заделки неподвижной струны

невращающегося шкива кронблока приравнивается к максимальному числу изгибов на шкивах.

Такой выбор оценки влияния заделки неподвижной струны и вибрации обусловлен тем, что не представляется

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ бурение \\ 15

бурение

Рис. б. Увеличенное представление зоны невращающегося шкива кронблока, представленной на рисунке 5

а) без учета вибрации, с учетом заделки неподвижной струны; б) с учетом незначительной вибрации и учетом заделки

неподвижной струны; в) с учетом значительной вибрации и учетом заделки неподвижной струны

возможным точно учесть все факторы (частоту вибрации, возникающие нагрузки и т.п.), влияющие на расходование ресурса талевого каната при СПО и бурении, поэтому сделана такая предварительная оценка, которая при фактическом учете может быть скорректирована исходя из результатов отработки каната в оснастке. Обозначим зону невращающегося шкива кронблока, соответствующую зоне влияния вибрации LV:

LV LV2 LV1 ,

(3)

где Цд - длина каната в оснастке, с которой началась зона Ц, влияния вибрации и заделки неподвижной струны; Ц,2 -длина каната в оснастке, на которой закончилась зона влияния вибрации и заделки неподвижной струны.

При отсутствии отводного шкива возле неподвижной струны (рис. 3):

LV1_LOS LN 2A; LV2=LOS - LN + A,

(4)

(5)

где А - длина полуокружности огибания каната; Ц05 - длина оснастки; 1_м - длина неподвижной струны каната [2].

При наличии отводного шкива возле неподвижной струны (рис. 4):

LV1_LOS LN LOH 2A,

(б)

где Ц0Н - расстояние между осями отводного шкива и неподвижного шкива

кронблока, а LV2 рассчитывается по формуле (5).

На рисунке 5 представлен пример загруженности каната в оснастке при отсутствии вибрации, при незначительной вибрации и при значительной вибрации. Максимальное число изгибов zmax в данном примере равно шести. На рисунке 5 показан случай без отводного шкива возле неподвижной струны. При его наличии ширина зоны LV будет больше на величину расстояния между осью отводного шкива и осью кронблока LOH. На рисунке 6 показано увеличенное представление зоны невращающегося шкива кронблока, представленной на рисунке 5.

ВЫВОДЫ

1. При вибрациях в процессе бурения зона набегания неподвижной струны на последний шкив и сбегания с него является локальной зоной накопления усталостных факторов, что приводит к усталостному износу каната. Срок службы каната в этой зоне при определенных условиях может быть невелик.

2. При спуско-подъемных операциях динамические колебания в талевом канате обусловлены неравномерностью движения тяговой струны, вызванной кинематикой многослойной навивки каната на барабан, и все струны талевой системы, кроме неподвижной, находятся в движении. Зона накопления усталостных факторов будет, так же как и при бурении, только на участках набе-

гания и сбегания неподвижной струны на последнем шкиве кронблока, находящегося в качательном движении.

S. Даже без учета вибрации при работе талевого каната в талевой системе возле невращающегося шкива кронблока канат будет испытывать накопление усталостных факторов из-за разницы длины каната под нагрузкой и без нагрузки.

4. Для оценочного учета влияния заделки неподвижной струны и вибрации при СПО и бурении на расходование ресурса талевого каната по длине в оснастке талевой системы в этой зоне автором выделено три случая: а) без учета вибрации, при этом влияние заделки в зоне невращающегося шкива кронблока приравнивается к одному циклу изгиба на шкиве за цикл спуска-подъема талевого блока; б) незначительная вибрация, при этом влияние нагрузки от вибрации и влияние заделки неподвижной струны в зоне невращающегося шкива кронблока приравнивается к половине от максимального числа изгибов на шкивах; в) значительная вибрация, при этом влияние нагрузки от вибрации и влияние заделки неподвижной струны в зоне невращающегося шкива кронблока приравнивается к максимальному числу изгибов на шкивах. Такая оценка является предварительной, и при фактическом учете она может быть скорректирована исходя из результатов отработки каната в оснастке на конкретной талевой системе.

Литература:

1. Ефимченко С.И., Лысков А.А. Разработка программного обеспечения расчета регламентов рациональной отработки талевых канатов // НТЖ ВНИИОЭНГ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2009, №3, С. 24-26.

2. Ефимченко С.И., Лысков А.А., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть 2. Расчет, конструирование и эксплуатация талевых систем буровых установок: учебник для вузов. - М.: Недра, 2010, 390 с.

Ключевые слова: бурение, талевый канат, талевая система, вибрация, неподвижная струна.

на правах рекламы

Сибирская Сервисное Компания

С увашеинелі,

Генеральный ЬнрскМор ЗАО *ССК? Б.С. Шеаперикав

Уёамщсмви кол лет н партнерш, дера не наши

От имени Сиди рек он Сервисной Компании пс^дра£лхн> вас і' Навям 2013 і адом!

Кюхдпн Невм и юИ НЩ4ШХ в]'анмеотнеіпенпн подтЬсрмАае/н: нам есть \ем юрднться, ц нас до вощина выс&Кий потенциал, ‘ітоЬці продолжа>Нь профессиональна к испстне растить ¡¡ревінь отечественною исфтссервиеа. вь\ ходить ни новые юри^онты, рысишр.шг сферы ?ея/кеиънсеЯш!

Лм ¡ердимсл вами н во^неУнн остью раЬетать с в ¿г. н н вместс/

Желаем вам, вороте '¡Моая

в наступаіоїцсм году не дыло .нее та ра^сырсванням, їйіоіт слсда Ьылм, только от сЧа&пья, їінош Ь ваінт домах царила атмосфери теч.і а. уюта, дйЬра! ЩтаЬл шля поЬедм в труде н творчестве/

‘/верен, 1 то наступающий і од еще долее укрепит нате сайрудинчеснию, а эффективная совместная раЬота в который ва$ подтвердит простую истину: настоящая дружЬа верном н« талька те ¡да, когда есть настоящее, оЬщее, оЬоюдоответствсниое ІСЛО.

УдаЫ, кип о полудня, (¡доре вья. ра доети вам, вашим родным а друзьям!