РОЗДІЛ 2
НАВАНТАЖЕНІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ ТАЛЕВОЇ СИСТЕМИ І СТРІЧКОВО-КОЛОДКОВОГО ГАЛЬМА ПРИ СПУСКУ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ
2.1. Теоретичні дослідження процесу гальмування талевої системи бурової установки
2.1.1. Структура циклу переміщення гакоблока
Переважно цикл спуску колони бурильних труб на глибину понад 2500 м складається з трьох послідовних етапів, а саме: етапу розгону, етапу усталеного руху і етапу гальмування. Етапи руху гакоблока відрізняються один від одного значеннями прискорення і тривалістю. На рис. 2.1 наведено теоретичну діаграму спуску бурильної колони на довжину однієї свічки, яка складається з трьох етапів: І ? розгону, ІІ ? усталеного руху і ІІІ ? гальмування. Наявність етапу усталеного руху є ознакою вмикання допоміжного (гідродинамічного) гальма або пригальмовування механічним гальмом бурової лебідки.
Для аналізу взаємовпливу основних кінематичних параметрів процесу спуску необхідно скласти математичну модель руху гакоблока під час спуску колони бурильних труб на довжину однієї свічки і аналітично описати кінематику його переміщення.
2.1.1.1. К і н е м а т и к а п е р е м і щ е н н я г а к о б л о к а. Зручно розглядати зміну процесу переміщення гакоблока при спуску колони бурильних труб за діаграмою "швидкість руху V-переміщення х" (рис. 2.2).
Вибір переміщення як аргументу діаграми зумовлений тим, що з-поміж трьох кінематичних параметрів руху а, V, х параметр х не залежить від а і V і на відміну від них має чітко визначені граничні значення, зумовлені довжиною свічки, тобто х?[0,l].
Рис. 2.1. Діаграма зміни кінетичних параметрів гакоблока при спуску
колони бурильних труб на довжину однієї свічки:
x, V, a - переміщення, швидкість і прискорення гакоблока;
t - час;
l - довжина свічки бурильних труб;
tроз - час завершення етапу розгону;
tгал - час завершення етапу усталеного руху бурильної колони і початку етапу гальмування;
tц - повний час спуску свічки бурильних труб;
TІ, TІІ, TІІІ - тривалість етапів розгону, усталеного руху і гальмування
Рис. 2.2. Графіки для визначення раціональних режимів спуску бурильної
колони:
Vуст1, Vуст2 - швидкості усталеного руху гакоблока на різних режимах спуску
Аналіз діаграми (див. рис. 2.2) показує, що з підвищенням швидкості усталеного руху шлях гакоблока на цьому етапі зменшується. Якщо прискорення на етапах розгону і гальмування підтримувати рівними і сталими, то, відповідно, тривалість цих етапів ТІ, ТІІ збільшується, що спричинює зростання загальної тривалості СПО. Аналогічно, при сталій швидкості усталеного руху збільшення прискорення розгону призводить до зростання тривалості другого етапу ТІІ, при цьому зменшується час етапу розгону, що сприяє зниженню сумарного часу повного циклу спуску бурильних труб на довжину однієї свічки, але призводить до суттєвого збільшення динамічного і теплового навантаження на гальмівну систему бурової лебідки. Окрім того, великі прискорення розгону зумовлюють появу суттєвих за амплітудою і частотою коливань, джерелом яких є піднімальний вал лебідки. Зазначені коливання спричинені великою швидкістю обертання барабана лебідки (до 1200 хв-1) у поєднанні з постійно змінюваною схемою навивки талевого каната на ньому.
Оскільки основне навантаження на гальма бурової лебідки відбувається на етапі гальмування при спуску бурильної колони, слід обмежувати її прискорення саме на цьому етапі. Проте зменшення прискорення гальмування призводить до збільшення тривалості ІІІ-го етапу, внаслідок чого зменшується тривалість усталеного руху, оскільки за цих умов гальмування колони необхідно розпочати раніше. При цьому повний час циклу спуску свічки зростає.
Отже гостро постає питання про раціональність кінематичних параметрів спуску бурильної колони. При цьому необхідно дослідити, на якому з режимів (див. рис. 2.2) найбільш доцільно проводити спуск. Найбільш м'яким з точки зору динамічних навантажень на наземне і підземне обладнання є спуск за діаграмою 0-1-9-5. На зазначеному режимі прискорення розгону і спуску є незначними, а максимальна швидкість (Vуст1) ? невисокою. Проте тривалість циклу за таких кінематичних параметрів є максимальною. Найбільш жорстким режимом є спуск за діаграмою 0-7-3-5. Цей режим характеризується високими значеннями прискорень розгону і гальмування, швидкістю усталеного руху (Vуст2) і динамічних навантажень особливо на елементи спуско-піднімального комплексу. Тривалість циклу спуску на зазначеному режимі є мінімальною. Задача полягає в тому, щоб визначити для кожного конкретного етапу величини прискорень і усталеної швидкості.
На етапі І (етапі розгону) швидкість гакоблока зростає від нуля до визначеного значення швидкості усталеного руху Vуст (або VII), аІ?0.
На етапі ІІ (етапі усталеного руху) швидкість руху гакоблока майже не змінюється. Цей етап починається в момент досягнення швидкості усталеного руху Vуст і завершується в момент початку гальмування колони. Для цього етапу аІІ=0.
На етапі ІІІ (етапі гальмування) швидкість руху гакоблока зменшується від швидкості усталеного руху Vуст до нуля. При цьому в кінці етапу гальмування переміщення гакоблока дорівнює довжині свічки l. Прискорення на цьому етапі має від'ємний знак, аІІІ<0.
Аналіз наведеної діаграми показує, що кінематика процесу руху гакоблока при спуску свічки визначається трьома параметрами:
- аІ - прискоренням розгону;
- Vуст - швидкістю спуску колони на етапі її усталеного руху;
- аІІІ - прискоренням гальмування.
На етапі розгону (див. рис. 2.1) швидкість руху гакоблока (колони бурильних труб) описується рівнянням:
V=аІ?t. (2.1)
В момент закінчення етапу розгону швидкість V=Vуст ,час t=ТІ, тоді з (2.1) маємо: