5. Буровые лебедки. Назначение, технологические функции и основные требования. Классификация. Тормозные устройства буровой лебедки. Назначение и классификация.

Буровые лебедки относятся к главным агрегатам бурового комплекса, определяющим эффективность бурения. Следует учитывать, что они используются как при спуско-подъемных операциях, так и при разбуривании забоя скважины.

С помощью буровых лебедок и талевого механизма спускают, поднимают и удерживают на весу бурильную колонну, обсадные трубы и другой инструмент при бурении и креплении скважин. При подъеме вращательное движение, сообщаемое лебедке от привода, посредством талевого каната преобразуется в поступательное движение талевого блока. При спуске тормозные устройства буровой лебедки ограничивают скорость талевого блока, опускающегося под действием собственного веса и веса подвешенного к нему инструмента. Буровые лебедки используются также для передачи вращения ротору, свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, для подъема и подтаскивания различных грузов при бурении скважины, монтаже и ремонте установки.

Буровые лебедки относятся к главным агрегатам бурового комплекса, определяющим эффективность бурения. Следует учитывать, что они используются как при спуско-подъемных операциях, так и при разбуривании забоя скважины.

К основным технологическим функциям лебедки относятся:

• поддержание заданной нагрузки на долото и подача бурильной колонны при разбуривании забоя скважины;

• наращивание колонны по мере углубления скважины;

• подъем на поверхность и спуск в скважину бурильной колонны для смены долот, забойных двигателей и извлечения керна;

• спуск колонны обсадных труб при креплении скважины;

• спуск и подъем на трубах контрольно-измерительных приборов и ловильного инструмента при испытаниях и освоении скважин, ликвидации прихватов и других аварий в скважине.

Буровые лебедки в отличие от лебедок, используемых в грузоподъемных машинах, работают в условиях, характеризуемых ступенчатым изменением действующих нагрузок. Систематические нагрузки возрастают с углублением забоя скважины, а в процессе спуско-подъемных операций изменяются в десятки и сотни раз в зависимости от числа свечей в бурильной колонне.

Лебедки должны отвечать требованиям технологии бурения и удовлетворять условиям их эксплуатации. Мощность и тяговое усилие их должны быть достаточными для выполнения наиболее тяжелых технологических операций. Скорости подъема и спуска должны обеспечить безаварийность, экономичность и высокую производительность при спуско-подъемных операциях. Для транспортировки в собранном виде габариты и масса лебедок должны соответствовать нормам, установленным правилам перевозок железнодорожным транспортом. Необходимо учитывать, что габариты лебедки ограничиваются площадью буровой и проходами, необходимыми для безопасного обслуживания лебедки и других механизмов. Следует особо выделить требования к их надежности, долговечности и ремонтопригодности.

Буровые лебедки различаются по мощности и другим техническим параметрам, а также по кинематическим и конструктивным признакам.

Мощность буровых лебедок, регламентируемая ГОСТ16293—82, находится в пределах 200—2950 кВт в зависимости от глубин бурения.

По числу скоростей подъема различают двух-, трех-, четырех- и шестискоростные буровые лебедки. За рубежом применяются восьми- и десятискоростные буровые лебедки. Скорости подъема изменяются путем переключения передач между валами лебедки либо посредством отдельной коробки перемены передач.

В зависимости от используемого привода различают буровые лебедки со ступенчатым, непрерывно-ступенчатым и бесступенчатым изменением скоростей подъема. Ступенчатое изменение скоростей подъема имеется в буровых лебедках с механическими передачами от тепловых двигателей и электрических двигателей переменного тока. При гидромеханических передачах лебедки с теми же двигателями имеют непрерывно-ступенчатое изменение скорости подъема. В случае использования привода от электродвигателей постоянного тока скорости подъема лебедки изменяются бесступенчато по кривой постоянства мощности двигателя.

По схеме включения быстроходной передачи различают буровы елебедки с независимой и зависимой «быстрой» скоростью. Как известно, при спуске бурильных, и обсадных труб в соответствии с последовательностью выполняемых операций используются две скорости: тихая — для приподъема колонны труб с целью освобождения клиньев или элеватора и быстрая — для последующего подъема незагруженного элеватора за очередной свечой. Для ускорения спуска переключение указанных скоростей не должно задалживать много времени и поэтому осуществляется фрикционными муфтами с поста бурильщика. Буровые лебедки с независимой схемой скоростей позволяют поднимать незагруженный элеватор на быстрой скорости независимо от тихой скорости, используемой для приподъема. При зависимой схеме незагруженный элеватор поднимают на разных скоростях, равных либо пропорциональных скорости, используемой для приподъема колонны труб.

По числу валов различают одно-, двух- и трехвальные буровые лебедки. Одно- и двухвальные лебедки снабжаются отдельной коробкой перемены передач. В трехвальных лебедках скорости подъема изменяются с помощью передач, установленных между валами самой лебедки. Для вспомогательных работ двух- и трехвальные буровые лебедки снабжаются фрикционной катушкой. В случае использования одновальной лебедки для этого подключают дополнительную вспомогательную 'лебедку..

Буровые лебедки различаются по числу скоростей, передаваемых ротору, и кинематической схеме передач,установленных между лебедкой и ротором.

По способу, управления подачей долота различают буровые лебедки с ручным и автоматическим управлением, осуществляемым посредством регулятора подачи долота.

Наряду с указанными особенностями различают лебедки с капельной и струйной смазками цепных передач; воздушным и водяным охлаждением тормозных шкивов; гидродинамическим и электромагнитным вспомогательными тормозами; ручным и дистанционным управлением

Спуск и подъем бурильных колонн при бурении производят с помощью лебёдок. Одним из основных элементов лебедок является тормозная система. Тормозная система буровых лебедок предназначена для: удерживания в подве- шенном состоянии бурильной колонны; поглощения мощности при спуске колонны на длину одной свечи с наибольшей допустимой скоростью и полного торможения в кон- це спуска; плавной подачи бурильной колонны по мере углубления скважины при бу- рении. Тормозные устройства, применяемые в буровых машинах и механизмах по на- значению делятся на основные и вспомогательные Основные предназначены для остановки машин и механизмов и приводятся в действие в конце движения при длительных перерывах в работе, вспомогательные же для длительного торможения с целью снижения скорости движения. В качестве основных тормозов в буровых машинах и механизмах используются фрикционные тормозные устройства, которые подразделяются на ленточные и колодочные. В ленточном тормозе рабочий элемент – гибкая лента с фрикционными наклад- ками, которые прижимаются к тормозному шкиву при угловом смещении одного из концов ленты. В колодочном тормозе рабочий орган – колодки, которые при встречном линейном смещении прижимаются к наружной поверхности тормозного барабана. В буровых машинах в качестве вспомогательных используются гидродинамические и электрические тормозные устройства.

6. Буровые насосы. Назначение, основные требования, конструктивные схемы. Идеальная и действительная подачи бурового насоса. Кинематика буровых насосов. Мгновенная подача бурового насоса. Неравномерность подачи. Способы снижения неравномерности подачи насосов.

Буровой насос — насос, применяемый на бурильных установках с целью обеспечения циркуляции бурового раствора в скважине. Для промывки используется высокое давление, которое создаёт этот насос. Буровой насос бывает двух-и трёхцилиндровый. Основное предназначение бурового насоса - это обеспечить циркуляцию бурового шлама и предотвратить его оседание в процессе бурения, а также подъём разбуриваемой породы на поверхность. Буровой насос очищает забой и скважину от породы.

Буровые насосы предназначены для нагнетания в скважину промы­вочной жидкости с целью: очистки забоя и ствола от выбуренной поро­ды (шлама) и выноса ее на дневную поверхность; охлаждения и смазки долота; создания гидромониторного эффекта при бурении струйными долотами; приведения в действие забойных гидравлических двигателей.

Исходя из назначения и условий эксплуатации, к буровым насо­сам предъявляют следующие основные требования:

•                подача насоса должна быть регулируемой в пределах, обеспечи­вающих эффективную промывку скважины;

•                мощность насоса и количество насосов должно быть достаточным для промывки скважины и работы забойных гидравлических дви­гателей;

•                скорость движения промывочной жидкости на выходе из насоса должна быть равномерной для устранения инерционных нагрузок и пульсаций давления,

вызывающих осложнения в бурении, до­полнительные энергетические затраты и усталостные разрушения;

•                насосы должны быть приспособлены для работы с абразиво- и ма­слосодержащими коррозионно-активными промывочными ра­створами различной плотности;

•                узлы и детали, контактирующие с промывочным раствором, дол­жны обладать достаточной долговечностью и быть приспособлен­ными к удобной и быстрой замене при выходе из строя;

•                крупногабаритные узлы и детали должны быть снабжены устрой­ствами для надежного захвата и перемещения при ремонте и тех­ническом обслуживании;

•           узлы и детали приводной части должны быть защищены от промы­вочного раствора и доступны для осмотра и технического обслу­живания;

•           насосы должны быть приспособлены к транспортировке в собран­ном виде на далекие и близкие расстояния и перемещению воло­ком в пределах буровой;

•           конструкция насосов должна допускать правое и левое расположе­ние приводных двигателей;

•                надежность и долговечность насосов должны сочетаться с их эко­номичностью и безопасностью эксплуатации.

Действительная подача насоса всегда меньше идеальной вследствие того, что происходят утечки через еще незакрытые клапаны, неплотности клапанов и поршней, в связи со сжимаемостью нагнетаемой жидкости, содержанием в ней газа, состоянием пар цилиндр — поршень, клапанов и т. д.

Фактическая подача может быть определена для каждого отдельного случая при конкретных условиях работы насоса по формуле

Q_п=Q_ип_о

где Q_ни - идеальная подача с учетом фактического числа ходов поршней в 1 мин; _о - коэффициент объемной подачи

Учитывая основные условия, влияющие на объемную подачу, можно вычислить коэффициент объемной подачи из выражения

Основная задача кинематики буровых насосов — определение перемещения, скорости и ускорения поршня. Кинематическому анализу предшествует выбор геометрических параметров криво-шипношатунного механизма согласно заданным техническим показателям и характеристике проектируемого насоса. Радиус кривошипа принимается равным половине длины хода поршня. Длина шатуна выбирается с учетом возможности проворачивания кривошипа, габаритов насоса и угла передачи. Образуемого шатуном и перпендикуляром к направляющей ползуна. От угла передачи μ, зависит усилие в шатуне R, возникающее в результате разложения действующих на ползун сил сопротивлений R=F/sinµ

Угол передачи μ зависит от соотношения длин кривошипа и шатуна. Укорочение шатуна позволяет сократить длину бурового насоса, но приводит к уменьшению угла передачи. В связи с этим возрастает усилие в шатуне, что обусловливает необходимость увеличения площадей сечения и масс звеньев кривошипно-шатунного механизма. Это неблагоприятно влияет на динамику бурового насоса.

Вследствие жесткой кинематической связи, осуществляемой посредством штока, движения ползуна и поршня совпадают. Поэтому движение поршня описывается формулами, известными из кинематики кривошипно-шатунного механизма. При равномерном вращении угол поворота кривошипа за промежуток времени t составит

φ=ωt,

где φ—угол поворота, рад; ω—угловая скорость кривошипа, рад/с; t—время, с.

Ползун и поршень при повороте кривошипа на угол φ перемещаются из крайнего левого положения на расстояние

x=(r+ ℓ)-ВО,

Где r- радиус кривошипа; ℓ - длина шатуна; ВО=ВD+DO= ℓ cosβ+rcosφ; β— угол наклона шатуна.

Подачу, давление и полезную мощность буровых насосов выбирают на основе требований, предъявляемых технологией промывки скважин. Исходной является объемная подача, от которой зависят эффективность роторного бурения и нормальная работа забойных двигателей.

Пневмокомпенсаторы служат для выравнивания пульсаций давления, вызываемых колебаниями подачи жидкости из-за неравномерной скорости поршней в насосах.

Пневмокомпса сатор представляет собой закрытый сосуд, заполняемый сжатым воздухом либо азотом. При подаче жидкости объем газа в нем уменьшается и в результате этого начальное давление газа возрастает до рабочего давления насоса. При работе насоса объем газа в пневмокомпенсаторе периодически изменяется в пределах изменения подачи насоса за один двойной ход.

Предохранительные клапаны предназначены для ограничения повышения, давления жидкости сверх установленной величины с целью предотвращения аварий в насосном агрегате и нагнетательной линии от перегрузок, а также обеспечения безопасности работ. Предохранительные клапаны действуют эпизодически, например при образовании пробок, ошибочном пуске насоса при закрытых задвижках и в других подобных случаях, вызывающих чрезмерное увеличение давления насосов. Поршневые насосы почти не снижают подачу жидкости при возрастании сопротивлений в нагнетательной линии. Поэтому в поршневом насосе для безопасного выхода промывочной жидкости в случаях превышения предельного давления обязательно должен быть предохранительный клапан.