Диссертация (Обеспечение эффективной работы талевых канатов), страница 2

1).В первой главе приведен литературный обзор по работе канатов в талевойсистеме. Проанализированы основные разработки ученых, связанные сисследованием талевых канатов по длине в оснастке талевой системы.Анализ литературы показал, что отсутствует обоснованная расчетнаяметодика системы перепуска каната. Распространенная система отработкиталевых канатов по API RP 9B заключается в экспериментальном,7теоретически не подкрепленном методе. Однако затраты на такую отработкуканата велики, так как для одного каната проводится несколько десятковперепусков, требующих дополнительных времени и трудозатрат.

МетодикаAPI не предусматривает учет фактической загруженности каната в оснастке.В российской практике широко распространен метод перепуска канатапо рекомендациям ВНИИНефтемаша. Это, аналогично API, теоретически необоснованный экспериментальный метод, при котором канат отрабатываетсянеэффективно, без знания его фактической загруженности в оснастке.М.А.Букштейн,В.И.Тарасевич,С.И.Ефимченкоидругиеисследователи пытались сделать такой учет фактической загруженностиканата в оснастке. Наиболее прогрессивными исследованиями в областимоделированияработыканатавоснасткеявляютсяисследованияС.И.

Ефимченко. Однако при этом приняты допущения:- эффект изгиба на барабане приравнивается к эффекту изгиба на шкивах,несмотря на различие диаметров шкивов и навивки каната на барабан;- высота подъема талевого блока фиксирована и равна длине свечи при СПО,поэтому такая модель не может учесть другие операции, происходящие впроцессе проводки скважины, объем которых в современном бурении можетпревышать объем СПО, например – операции наращивания бурильнойколонны в процессе бурения для традиционных СПК (рис. 2, а);- неучитываетсявибрацияи другие конструктивныеособенностисовременных талевых систем, в том числе влияние возможных отводныхшкивов (рис. 2, б), особенности укладки каната на барабан, и др.Таким образом, известные исследования по моделированию работыканата в оснастке не учитывают существенные факторы, влияющие на выходталевого каната из строя, в том числе: влияние соотношения диаметра шкивови диаметра намотки каната на барабан лебедки, особенностей укладки канатана барабан (слои, радиусы перехода); изменение высоты подъема талевогоблока и его нижнего положения при различных операциях в процессепроводки скважины; наличие вибрации в талевой системе; наличие отводныхшкивов для тяговой и неподвижной струн.Необходимость изучения вышеперечисленных факторов и внесения их вмоделирование работы талевых канатов накапливалась годами, и крайне8востребована буровиками для объяснения фактов неэффективной работыканатов в талевой системе и обеспечения безопасного ведения буровых работ.В свою очередь прогрессирующее развитие компьютерных технологийпозволяет разработать уточненную модель работы талевого каната с системойперепусков.Итогом первой главы является постановка задач исследования.5Рис.

1. Талевый канат6х31 по ГОСТ 16853-88(пример сорганическимсердечником)l БТх1lВТH678910lБТ34127lБТ2114l БТб)х2=lСВа) 1Рис. 2. Схема талевой системы в процессе наращивания:а) для традиционных СПК; б) для СВП с отводными шкивами1 – кронблок; 2 – вышка; 3 – талевый блок; 4 – тяговая струнаканата; 5 – барабан лебедки; 6 – рабочие струны каната;7 – неподвижная струна каната; 8 – стол ротора; 9 – механизмкрепления неподвижной струны каната; 10 – бухта с канатом;11, 12 – отводной шкив для тяговой и неподвижной струн соответственно;lВТ и lБТ – длина ведущей и бурильной труб соответственно;lСВ – дина свечи; х1, х2 – различная высота подъема талевого блокаВо второй главе показано, что на работу канатов подъемныхкомплексов буровых установок в основном влияют: переменные и циклическиизменяющиеся по длине каната в оснастке изгибные напряжения, переменныепо величине и практически одинаковые по длине каната растягивающиенапряжения, конструктивные факторы и вибрация талевой системы.Число циклов изгибов каната до разрушения при работе на шкивахвыражается наиболее распространенной зависимостью:k DШ dК NC ,Tm(1)9где N – число изгибов каната до разрушения; DШ – диаметр тела огибания(шкива, барабана и пр.); dК – диаметр каната; k – показатель степени (по даннымисследователей k=2,0…3,0); m – показатель степени (по данным исследователейm=1,65…1,7); T – растягивающее усилие в канате; C – коэффициентпропорциональности, зависящий от конструкции и типоразмера каната.С точки зрения рассмотрения изгибных факторов, в формуле (1)присутствует показатель степени k (показатель долговечности, учитывающийвлияние величины соотношения диаметра тела огибания к диаметру каната).Этот показатель мало изучен, варьируется в больших пределах (от 2 до 3), и еговыбор из этого диапазона ничем не обоснован.

С точки зрения рассмотренияфакторов растягивающих напряжений, в формуле (1) присутствует показательстепени m (показатель долговечности, учитывающий влияние величинырастягивающего усилия в канате). Этот показатель мало изучен, варьируется вузких рамках от 1,65 до 1,7, и его выбор ничем не обоснован.Перечислены основные конструктивные факторы талевой системы, тоесть те факторы, которые сформировались из-за определенной той или инойконструкции талевой системы (особенности укладки каната на барабан,наличие или отсутствие отводных шкивов, заделка концов каната, закрутка иотклонение талевого блока, и прочие).При вибрациях, возникающих из-за неравномерной навивки каната набарабан при СПО и динамических колебаний в процессе бурения, зона набеганиянеподвижной струны на последний шкив является локальной зоной накопленияусталостных факторов, что приводит к износу каната.

Вибрация талевой системы– это негативный фактор, его следует избегать или минимизировать.В третьей главе в ходе анализа и обработки экспериментальных истатистическихданныхуточненыпоказателидолговечностиканата:показатель k, учитывающий влияние величины соотношения диаметра телаогибания к диаметру каната, и показатель m, учитывающий влияние величинырастягивающего усилия в канате.Для уточнения показателя k обработаны данные API RP 9B, основанныена лабораторных испытаниях.

Было найдено среднее значение, равное 2,44,сделана интервальная оценка. Также для уточнения показателя k обработаны10результаты ВНИИНефтемаша и С.А. Волонсевича. По ним для нагрузок 67 и105 кН были получены средние значения k: 2,34 и 2,77 соответственно.Исходя из этого, сделан вывод о рекомендации оценочного показателядолговечности k, равного 2,4 при глубине бурения до 2000 м; 2,6 при глубинебурения от 2000 м до 3500 м; и 2,8 при глубине бурения более 3500 м.

Такойвыбор показателя k обусловлен тем, что нагрузки, действующие на талевыйканат, не постоянны, и при бурении скважин большей глубины присутствуетбольший спектр нагрузок (и величина этих нагрузок больше), чем при бурениинеглубоких скважин или интервалов.Знание показателя k дает представление о зависимости междудиаметром тела огибания и долговечностью каната при постоянном диаметреканата. Например, если диаметр шкива по дну желоба равен 1000 мм, диаметрнавивки на барабан равен 800 мм, а показатель k равен 2,8, то расходованиетехнического ресурса каната за один изгиб на барабане больше расходованиятехнического ресурса каната за один изгиб на шкиве примерно в 2 раза.Уточненный показатель k сравнен с данными других исследователей. Изранее предложенных зависимостей наиболее близкие к экспериментальнымданным расчетные значения дают формулы С.А.

Волонсевича, К.М.Масленникова и А.И. Колчина. Расчеты по формуле Г.Д. Житкова даютзначительные расхождения с результатами экспериментальных данных.Общая погрешность менее 10% получилась только при расчете по формуле (1)с уточненным показателем k, поэтому данная зависимость с рекомендуемымвыбором показателя долговечности k является наиболее достоверной и точной.Для уточнения показателя m обработаны данные API RP 9B, основанныена лабораторных испытаниях. Найдено среднее значение, равное 1,09, сделанаинтервальная оценка. Среднее значение изменяется от 0,74 до 1,49, при этом применьшем запасе прочности (большей растягивающей нагрузке) показатель mбольше, а при большем запасе прочности (меньшей растягивающей нагрузке) –меньше.

Также для уточнения показателя m обработаны результатыВНИИНефтемаша и С.А. Волонсевича. Установлено, что чем больше отношениедиаметров шкива к канату – тем больше показатель m.Анализ оценочного значения показателя m из опытов API и опытовВНИИНефтемашапоказал,чтооноизменяетсявзависимостиот11растягивающей нагрузки и в зависимости от отношения диаметра телаогибания к диаметру каната.

Имеет значения от 0,7 до 2,4 (находится в болеешироком диапазоне, чем установлено ранее). В оценочных расчетахрекомендуется принимать значение m, равное 1,2 при глубине бурения до 2000м; 1,6 при глубине бурения от 2000 м до 3500 м; и 2,0 при глубине буренияболее 3500 м, причем величина показателя m может быть снижена, еслиусловия работы каната легкие (то есть когда запас прочности канатагарантировано большой).

Такой выбор показателя m обусловлен тем, чтонагрузки, действующие на талевый канат, непостоянны, и при бурениискважин большей глубины отношение диаметра тела огибания к диаметруканата больше, чем при бурении неглубоких скважин.Знание показателя долговечности m дает представление о зависимостимежду действующими на канат растягивающими нагрузками и егодолговечностью. Например, долговечность каната с показателем m=1,6 в 1,6раза (на 60%) больше по сравнению с канатом, имеющим показатель m=1,7.В четвертой главе разработана математическая модель работы талевыхканатов, учитывающая основные факторы, влияющие на выход талевогоканата из строя, в том числе: влияние соотношения диаметра шкивов идиаметра навивки каната на барабан лебедки; изменение высоты подъематалевого блока и его нижнего положения при различных операциях в процессепроводки скважины; уточненное влияние вибрации в талевой системе;наличие отводных шкивов для тяговой и неподвижной струн.Основные допущения моделирования:- объект исследования – работа в талевой системе традиционного талевогоканата 6х31 по ГОСТ 16853-88 (см.

рис. 1), с известной изученнойзависимостью между количеством оборванных проволок и относительнойнаработкойканата,изображенной нарис.3(внезависимости отразновидности, т.е. качества каната по ГОСТ 16853-88);- за цикл работы каната (один спуск-подъем талевого блока) канат испытывает одинцикл изгиба на шкиве и один цикл изгиба на барабане, при этом эффект циклаизгиба на шкиве равен эффекту цикла изгиба на барабане, если их диаметры равны;- эффект изгиба на отводном шкиве равен эффекту изгиба на основном шкиветалевой системы, если их диаметры равны;12- влияние вибрации – оценочное;- по длине каната в оснастке принимается одинаковое нагружение его участковотпеременнойрастягивающейнагрузки,поэтомуприопределениизагруженности талевого каната по длине в оснастке основными считаются18150100Количество оборванныхпроволок на шаге свивкиКоличество оборванных проволок на шаге свивки канатаизгибные факторы.161412108642102030405060708090100Н аработ ка канат а, %504030201050100140Н аработ ка канат а, %Рис.