книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Буровые машины и механизмы

равномерное распределение усталостных повреждений обеспечивается при своевременном смещении опасных участков каната из зоны наибольших перегибов. Для этого пользуются талевым канатом нормальной длины, периодически перепускаемым в процессе эксплуатации.

Рис. 8.8. Стабилизатор (успокоитель) талевого каната:

1, 2 – угольники; 3, 9 – болты, 4 – втулка; 5 – консоль; 6 – ролик; 7 – радиальный шарикоподшипник; 8 – бандаж; 10 – ось роликов

Перепуск каната заключается в перемещении в талевую систему участка каната с барабана с запасом каната при отрубке такого-же участка каната со стороны конца, закрепляемого на барабане буровой лебедки. Канат нормальной длины расходуется таким образом за несколько перепусков. Считается, что при перепусках каната его ресурс можно повысить на 40 % за счет сокращения неиспользуемой длины каната. Практически перепуск осуществляется при появлении трех-четырех оборванных проволок на шаге свивки каната. Длина перепуска зависит от многих факторов и в основном выбирается, исходя из опыта эксплуатации талевых канатов в конкретных условиях на конкретном месторождении. При небольшой длине перепуска растут временные затраты, с ним связанные, так как на один перепуск может быть затрачено до 4 часов рабочего времени. При большой длине перепуска, в пределе соответствующей полной переоснастке талевой системы, снижается ресурс канатов и растет их расход.

131

Поэтому выбор длины перепуска должен учитывать эффект от повышения технического ресурса каната и затраты, связанные с перепусками.

Рис. 8.9. Схема монтажа стабилизатора талевого каната

Другим существенным фактором, ограничивающим срок службы и наработку талевых канатов, является их повреждение при многослойной навивке на барабан буровой лебедки. Принцип действия талевой системы предполагает значительную длину навивки каната на барабан, а небольшие габариты барабана лебедки не позволяют произвести навивку в один слой. Для предотвращения преждевременных повреждений каната необходимо обеспечить правильную намотку каната на барабан лебедки. Одно из эффективных средств улучшения навивки – устранение колебаний ходовой ветви каната с помощью стабилизатора (рис. 8.8) талевого каната. Стабилизатор 8 (рис. 8.9) надевается на ходовую струну 2 каната и поддерживается на высоте 12…15 м тросами 4 и 7, перекинутыми через ролики 5 и 6. К концам тросов 3 и 9 подвешиваются противовесы 1, благодаря инерции которых поглощаются колебания ходовой струны, и в результате этого обеспечивается упорядоченная навивка каната на барабан. В легких буровых установках используются специальные стабилизаторы, монтируемые на раме лебедки [1].

132

8.4. Эксплуатация талевых систем

По правилам безопасности канат должен быть заменен новым, если при его осмотре обнаружится один из следующих дефектов:

–оборвана одна прядь каната;

–на шаге свивки каната диаметром до 20 мм число оборванных проволок составляет более 5 %, а каната диаметром больше 20 мм – более 10 % от числа всех проволок в канате;

–одна из прядей вдавлена вследствие разрыва сердечника каната;

–канат вытянут или сплюснут, и его наименьший диаметр составляет 75 % и менее от первоначального;

–на канате имеется скрутка («жучок»);

–при износе (или коррозии), достигшем 40 %, и более первоначального диаметра проволок.

Подготовка талевого каната к оснастке

Диаметр каната и число струн в оснастке выбирают с учетом максимально возможной нагрузки на крюке, при которой был бы двойной запас прочности, а при СПО – тройной, наивыгоднейшим является четырех-пятикратный запас.

Канат необходимой прочности должен иметь диаметр, соответствующий диаметру желоба шкивов талевого блока и кронблока.

Применять в талевых системах канаты с диаметром больше расчетного нельзя ввиду возможности его защемления в желобах шкивов и быстрого износа. Допускается применение канатов диаметром меньше расчетного на 10 %. Необходимый для оснастки канат подбирают по паспорту и проверяют соответствие маркировки на бочке барабана паспортным данным, осматривают канат в соответствии с инструкцией и составляют акт приемки, о чем делают соответствующие записи в буровом журнале.

Фактический коэффициент запаса прочности каната проверяют путем сравнения агрегатной прочности каната, указанной в паспорте, с наибольшей вероятной нагрузкой на канат.

Для осмотра бочку с канатом устанавливают на козлы и вращают барабан по стрелке, указанной на бочке. При перемотке каната недопустимо образование петель и перекруток. Отрезают канат специальной канаторезкой. Перед тем как отрезать канат, оба будущие его конца должны быть заделаны так, чтобы избежать их раскручивания. Концы заделывают плотной намоткой вязальной проволоки.

Новый канат следует хранить на барабане в помещении или под навесом, исключающим попадание влаги в барабан. Ржавые канаты или канаты, имеющие неплотности свивки прядей, порванные проволоки и другие дефекты к эксплуатации не допускаются.

Оснастка талевой системы

По мере увеличения глубины скважин вес бурильных колонн, которые приходится спускать и поднимать, увеличивается, а максимальная скорость намотки ведущей струны талевого каната на барабан лебедки остается практически неизменной (около 20 м/с) для буровых установок разных классов. Поэтому для каждой установки применяют талевую систему со своей кратностью полиспаста от 4 до 14. Это достигается применением различных оснасток 2×3; 3×4; ...; 7×8 (здесь первая цифра – число шкивов талевого блока, а вторая – кронблока).

133

Рис. 8.10. Схема крестовой оснастки 5×6 талевой системы:

а – заводской барабан; б – защитная труба; в – механизм крепления неподвижной струны каната; г – барабан лебедки; 1…6 – шкивы кронблока;

I…V – шкивы талевого блока

Под оснасткой талевой системы понимается навеска каната на шкивы кронблока и талевого блока в определенной последовательности, исключающей перекрещивание каната и трение его струн друг о друга. В настоящее время создано несколько типов оснастки. Перед тем как приступить к оснастке системы, необходимо определить число шкивов в талевом блоке, тип каната, диаметр и разрывное усилие каната. Диаметр каната должен соответствовать размеру канавок шкивов талевого блока и кронблока. При бурении глубоких скважин, когда глубина еще небольшая и бурильная колонна легкая, для ускорения СПО канатом оснащают не все шкивы системы, а только часть. В дальнейшем проводят переоснастку до полного использования всех шкивов. Однако переоснастка трудоемка и не всегда целесообразна.

Оснастку стремятся выполнить так, чтобы ведущая струна набегала на один из средних шкивов. В системах АСП струны каната не должны мешать спуску талевого блока с находящейся в нем свечой. Неправильно выполненная оснастка может вызвать трение канатов или закручивание талевого блока, что может привести к аварии.

Существуют два типа оснасток: параллельная, когда ось талевого блока параллельна оси кронблока, и крестовая, когда оси талевого блока и кронблока перпендикулярны. Наиболее распространена крестовая оснастка (рис. 8.10). Она имеет то преимущество, что исключает закручивание талевого блока и трение струн каната друг о друга.

Оснастку осуществляют следующим образом. Бухту каната устанавливают на металлическую ось приспособления, расположенного под полом буровой, и соединяют конец талевого каната с концом пенькового вспомогательного каната. Затем раскрепляют барабан механизма крепления и наматывают на него четыре-пять витков пенькового каната, после чего этот канат последовательно пропускают через шкивы 6 кронблока и V талевого блока, 1 кронблока и I талевого блока, затем 5–IV–2–II–4, как показано на рис. 8.10.

Когда конец талевого каната со шкива 4 достигнет пола буровой, отсоединяют пеньковый канат, а конец ведущей струны талевого каната укрепляют в зажимном приспособлении реборды барабана лебедки и наматывают на барабан лебедки 8–10 витков. Перед этим неподвижный конец талевого каната должен быть зажат в механизме крепления, после чего скрепляют его барабан с консольным рычагом и тарируют датчик и индикатор веса инструмента.

134

Длина талевого каната в оснастке Loс зависит от числа струн uтс в ней и полезной высоты вышки hп,

где lз – длина каната, наматываемого на барабан, lз=30 м. При hп=42 м и оснастке 4×5,

т.е. uтс = 8, Lос = 450 м.

Техническое обслуживание талевой системы

Во время эксплуатации канат изнашивается неравномерно. Часть его, которая в процессе СПО наматывается на барабан, изнашивается наиболее интенсивно, поэтому при выработке талевым канатом ресурса работы, установленного программой перепуска, следует тщательно осмотреть состояние ведущей струны каната. Критериями износа могут служить уменьшение его диаметра на 10 %, обрыв 10 % проволок на длине одного шага витка пряди, обрыв или вспучивание одной пряди. В этих случаях должен быть сделан перепуск каната и до выработки им установленного ресурса.

В процессе бурения крепких пород возникают продольные колебания в бурильных трубах, передающиеся через ведущую трубу, вертлюг и талевую систему неподвижному концу талевого каната. В результате возникает явление усталости металла проволок каната в той части, которая находится на последнем шкиве кронблока и барабане механизма крепления неподвижного конца талевого каната. При таких условиях может произойти обрыв каната, несмотря на то, что его износ невелик. При этом канат необходимо также периодически перепускать.

Перед спуском обсадных колонн талевая система должна быть осмотрена особенно тщательно. Все дефекты необходимо устранить и произвести перепуск каната. При спуске очень тяжелых обсадных колонн целесообразно применять специальные более жесткие и прочные канаты того же диаметра, что и талевый. Расход каната на 1 м проходки колеблется в широком диапазоне (от 0,7 до 5 кг, а в отдельных случаях и больше). Износ талевого каната при бурении скважин зависит от величины произведенной работы, качества и конструкции каната, правильной и рациональной его эксплуатации.

Износ желобов шкивов должен контролироваться визуально и по специальным предельным шаблонам.

Уход за талевой системой в основном сводится к смазке подшипников, наблюдению за работой шкивов и каната, надежностью крепления гайки ствола и предохранительных скоб рогов подъемного крюка. Перед пуском талевой системы в работу необходимо убедиться в том, что все шкивы свободно вращаются на оси. Следует проверить крепление кронблока и надежность всех болтовых соединений, установить предохранительные кожухи, а на закрепленном конце каната – датчик веса.

Во время эксплуатации надо следить за тем, чтобы подшипники не нагревались выше 80 °С. При значительном износе канавок шкивов последние следует заменить, а при неравномерных износах талевый блок нужно повернуть на 180°.

Смазку следует проводить в полном соответствии с инструкцией заводов, которая прилагается к каждому виду оборудования. Для всех элементов талевой системы применяется универсальная смазка средней плавкости типа ЦИАТИМ 203 со следующим режимом: роликоподшипники – 1 раз в неделю по 200 г на каждый шкив; упорные шарикоподшипники крюка – 1 раз в месяц по 500 г; соединение штропа крюка с корпусом и соединение крюка со стволом – каждые сутки по 20 г; защелка крюка и сто пор – 1 раз в месяц по 50 г [2, 6, 8].

135

9. ИНСТРУМЕНТ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ СПУСКО-ПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ

9.1. Процесс спуско-подъемных операций

Спуско-подъемные операции (СПО) при бурении скважин – трудоемкая и тяжелая работа, на которую затрачивается в среднем 18–20 % всего календарного времени бурения. Особенно много времени занимают эти работы при бурении глубоких скважин. Для облегчения труда рабочих при выполнении СПО и устранения опасных приемов работ созданы механизм спуско-подъема (МСП), автоматический спускоподъем (АСП), ключи для свинчивания труб (АКБ-ЗМ), пневматические клиновые захваты, пневмораскрепители и др.

Процесс подъема бурильной колонны из скважины состоит из циклически повторяющихся в определенной последовательности операций:

–подъем всей колонны на длину, немного большую длины одной свечи;

–остановка колонны в подвешенном состоянии;

–установка колонны на стол ротора на клинья и освобождение поднятой свечи от растягивающей нагрузки;

–отвинчивание свечи от колонны и установка ее внутри буровой в специальный магазин;

–спуск ненагруженных крюка и элеватора для подъема колонны на длину очередной свечи;

–остановка крюка для захвата колонны;

–захват и подъем колонны на длину следующей свечи.

Спускают колонну в обратной последовательности.

После того, как ствол скважины пробурен на определенную глубину, его крепят, для чего в скважину спускают обсадную колонну, состоящую из обсадных труб длиной

6–12 м.

Для выполнения всех этих операций буровая установка снабжается комплексом механизмов и инструмента для захвата, подъема, удержания на весу или на столе ротора бурильной или обсадной колонны при свинчивании и развинчивании труб, извлекаемых из скважины или спускаемых в нее. Для выполнения этих операций используют элеваторы, клиновые захваты, предохранительные пояса, механические, машинные и круговые ключи [2, 6].

9.2.Инструмент для захвата, подъема и переноса труб и свечей

Впрактике бурения скважин используются два способа захвата и подвешивания бурильных и обсадных колонн: за заплечик или конусный уступ замка; за тело трубы (за счет ее обжатия). В первом случае применяют элеваторы со створками и трубодержатели (рис. 9.1, а), во втором случае – клинья (рис. 9.1, б), захватывающие колонну за тело трубы, или плашечные элеваторы.

Элеваторы для подвешивания бурильных и обсадных труб применяют при нагрузках 1250–3200 кН. Это корпусные элеваторы типа ЭК диаметрами 114–426 мм и типа КМ диаметрами 60–377 мм. Для нагрузок 320–1250 кН и диаметров труб 48–127

ммприменяют двуштропные литые элеваторы типа ЭТАД.

Корпусной элеватор типа ЭК (рис. 9.2) состоит из корпуса 1 и створки 2. В левой части корпуса 1 элеватора укреплен замок 3 с пружиной 5, удерживающей створку в закрытом положении. На створке шарнирно укреплена рукоятка 4 с эксцентриком, при повороте которой одновременно открываются замок и створка элеватора. Шарнирные самозапирающиеся фиксаторы 6 в проушинах элеватора обеспечивают свободный ввод штропов в проушины и предотвращают самопроизвольное выпадение их в процессе работы. Для вывода штропов из проушин фиксаторы открывают вручную крючком.

136

Рис. 9.1. Схемы подвески колонн труб:

а – подвеска на корпусном элеваторе; б – подвеска на клиньях; 1 – стол ротора; 2 – корпусной элеватор; 3 – фиксатор штропа; 4 – труба; 5 – клиновые захваты; 6 – клиновой элеватор; 7 – штропы

Рис. 9.2. Корпусной элеватор

В верхней части корпус имеет предохранительную расточку, исключающую возможность выхода трубы из элеватора, находящегося под нагрузкой при спускоподъемных операциях; опорные поверхности элеватора под муфту трубы обрабатыват токами высокой частоты до твердости 45–50 HRC.

137

Корпусные элеваторы типа ЭК изготовляют для следующих диаметров труб: 60, 73, 89, 102, 114, 127, 140 и 168 мм и для предельных нагрузок: 1100, 1400, 1700, 2000, 2500 и 3200 кН по ГОСТ 25362–82 [6].

9.3. Элеваторы и штропы

Элеваторы трубные предназначены для удержания на весу колонны труб при их подъеме из скважин или при спуске в скважину, а также для удержания отдельных труб или свеч. Элеватор – грузоподъемное устройство, воспринимающее вес колонны труб и дополнительные нагрузки. Суммарная предельно допустимая нагрузка на элеватор называется его грузоподъемностью.

Штропы, на которых подвешивается элеватор на талевый крюк, служат промежуточным звеном между ним и талевым крюком. Штропы также относятся к грузоподъемным устройствам, а их грузоподъемность определяется аналогично грузоподъемности элеватора.

Процессы спуска-подъема колонн труб обусловливают необходимость при спуске колонны на одну трубу или свечу последовательно перемещать элеватор, заряжать (т. е. надевать на трубу и закрывать), снимать с трубы и повторно перемещать; аналогичные операции выполняются при подъеме колонны. Таким образом, при спуске или подъеме колонны на каждую трубу (свечу) элеватор дважды перемещается от трубы к трубе, один раз заряжается на трубе и один – снимается. Все эти операции выполняются вручную.

При спуске-подъеме труб с использованием двух элеваторов и с укладкой труб на стеллажи за смену бригадой выполняется 400–500 перемещений элеватора, соответственно удвоенное число зарядок и съемов элеватора, а также 400–500 перемещений штропов и удвоенное число съемов и надеваний их на элеватор. Операции эти выполняются двумя рабочими. Из графиков видно, что каждая из операций требует затраты весьма больших усилий, которые определяются массой элеватора и штропов и темпом их перемещения. Усилия и время выполнения операций по надеванию элеватора на трубу и штропов на элеватор также зависят от их массы и, кроме того, от совершенства запорных устройств элеватора.

Следовательно, с точки зрения возможного сокращения времени выполнения операций и, что особо важно, их облегчения массы элеваторов и штропов имеют решающее значение и должны быть минимальными. С этой же точки зрения весьма важным является обеспечение удобства и быстроты запирания и открывания элеватора.

Однако трубные элеваторы, используемые для спуско-подъемных операций при подземном и капитальном ремонтах, должны обеспечить грузоподъемности, особенно при работах на глубоких скважинах и с бурильными трубами, вплоть до 100–120 т. При этом массы элеваторов, а соответственно, и штропов весьма значительны и достигают 150–200 кг. Запорные же системы трубных элеваторов с точки зрения требований безопасности должны быть особо надежными, исключающими самопроизвольное открытие, что усложняет их быстрое открывание и закрывание.

Таким образом, налицо противоречивые требования; с одной стороны, надежность и безопасность работы грузоподъемного устройства, а с другой – облегчение и ускорение оперирования им. Оптимальная с точки зрения этих требований конструкция элеватора и штропов – важнейшая задача их конструирования и изготовления.

Элеватор используется вне помещения при температурах окружающей среды и находится в контакте с трубами, обычно покрытыми парафином, нефтью, минерализованной водой, часто коррозией. Поэтому конструкция и изготовление элеватора должны обеспечивать его надежность в эксплуатационных условиях.

На конструктивную схему элеватора и на его размеры влияет тип труб, для которых он предназначен. К настоящему времени широкое применение получили четыре основных принципиально отличающихся типа трубных элеваторов (рис. 9.3).

138

Рис. 9.3. Схемы трубных элеваторов:

а – балочный для труб с муфтами; б – балочный для безмуфтовых труб с наружной высадкой; в – балочный для безмуфтовых труб гладких; г – втулочный

Элеватор, выполненный по балочной схеме, удерживающий трубу путем опоры ее торца на корпус элеватора, используется для муфтовых труб и для безмуфтовых с высадкой наружу.

Элеватор, выполненный по балочной схеме, удерживающий трубу за ее гладкую часть клиньями, встроенными в корпус элеватора, используется для безмуфтовых труб с высадкой внутрь. Элеватор, выполненный по втулочной схеме, удерживающий трубу путем опоры торца муфты трубы на опорный бурт внутри элеватора, используется для муфтовых труб.

Штропы для трубных элеваторов изготавливают трех типов. Штропы (рис. 9.4, а, б) применяются в сочетании с балочными элеваторами, а третий тип (на рис. 9.4 не показан), выполненный в виде серьги, используется для втулочных элеваторов, а также для балочных с малой грузоподъемностью.

Рис. 9.4. Схемы штропов для трубных элеваторов:

а – петельный для балочных элеваторов; б – двухпетельный для балочных элеваторов

Массы элеваторов одного типа примерно пропорциональны его грузоподъемности и зависят от диаметра труб, для которых они предназначены. Грузоподъемности же

139

элеваторов зависят от глубин скважин. Поскольку фонд эксплуатационных скважин состоит как из скважин больших глубин, так и средних и мелких, то и спускоподъемные операции на разных скважинах можно выполнять элеваторами разной грузоподъемности, а значит, и разной массы.

В связи с этим для облегчения и ускорения операций с элеваторами балочные элеваторы изготовляются не на одну максимально возможную грузоподъемность, а на ряд от минимальной до максимальной. Такой подход позволяет выполнять большую часть спуско-подъемных операций элеваторами меньшей массы, поскольку основная доля фонда эксплуатационных скважин приходится на скважины малых и средних глубин.

Существуют стандарты на ряд грузоподъемностей элеваторов. Стандартами регламентируются также размеры и типы элеваторов в зависимости от размеров и типов труб, для которых они предназначены.

Балочный элеватор (рис. 9.5, а), выполненный по створчатой схеме, используют для работы с муфтовыми, а также безмуфтовыми с высадкой наружу трубами. Корпусные элеваторы (рис. 9.5, б) используются для работы с муфтовыми трубами. Балочный элеватор (рис. 9.5, в) с встроенным спайдером позволяет захватывать трубы за гладкую часть и работать с безмуфтовыми высаженными внутрь трубами.

Рис. 9.5. Конструкция трубных элеваторов балочного типа

Трубные элеваторы изготовляются из стальных кованых, штампованных или литых заготовок, как правило, из сталей, легированных хромом, молибденом, реже никелем. При изготовлении корпусных деталей из литых заготовок к качеству литья предъявляются особо высокие требования: в заготовках не должно быть каких-либо

140