Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор по работе канатов в талевой системе и постановка задач исследования 7
1.1. Нерасчетные системы перепуска талевого каната 8
1.1.1. Методика API 8
1.1.2. Методика ВНИИНефтемаша 11
1.1.3. Смежные методики 11
1.2. Исследования загруженности каната в оснастке М.А. Букштейна и И. Костина 13
1.3. Исследования В.И. Тарасевича и В.Л. Шохина 18
1.4. Методика отработки талевых канатов РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 23
1.5. Постановка задач исследования 27
Глава 2. Факторы, влияющие на эффективную работу талевых канатов 28
2.1. Изгибные напряжения 28
2.2. Растягивающие напряжения 29
2.3. Конструктивные факторы талевой системы 30
2.4. Вибрация талевой системы 31
2.5. Выводы по главе 2 33
Глава 3. Анализ и обработка экспериментальных и статистических данных различных факторов, выводящих талевые канаты из строя 34
3.1. Уточнение показателя k 34
3.1.1. Обработка данных API RP 9B 34
3.1.2. Обработка данных С.А. Волонсевича и ВНИИНефтемаша 39
3.1.3. Применение показателя k при моделировании работы каната 43
3.1.4. Сравнение выбранного показателя k с данными других исследований 45
3.2. Уточнение показателя m 48
3.2.1. Обработка данных API RP 9B 48
3.2.2. Обработка данных С.А. Волонсевича и ВНИИНефтемаша 52
3.3. Рекомендации по выбору показателей k и m 55
Глава 4. Разработка математической модели работы талевого каната 56
4.1. Сущность модели и исходные данные 56
4.2. Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке с любой величиной высоты подъема талевого блока исходя из раздельного влияния каждого тела огибания на участок каната 62
4.3. Влияние соотношения диаметров шкивов и барабана лебедки 69
4.4. Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке при основных операциях: СПО, бурении, отборе керна, спуске обсадных труб .71
4.5. Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке с нижним положением талевого блока, отличным от крайнего нижнего положения 76
4.6. Влияние особенностей навивки каната на барабан на расходование ресурса каната по длине в оснастке 77
4.7. Влияние заделки неподвижной струны и вибрации при СПО и бурении на расходование ресурса каната по длине в оснастке 87
4.8. Влияние отводных шкивов 90
4.9. Построение модели загруженности всей бухты талевого каната с системой перепуска 94
4.10. Возможность корректирования модели работы каната 1. 06
4.11. Обобщенный алгоритм моделирования работы талевого каната 106
Глава 5. Подтверждение результатов диссертационной работы на практике и внедрение результатов диссертационной работы .1. 11
5.1. Отработка канатов на Кольской скважине СГ-3 111
5.1.1. Подтверждение значений показателя m с помощью промысловых данных 111
5.1.2. Обработка промысловых данных отработки канатов 126
5.2. Подтверждение результатов моделирования с помощью измерений промысловых данных инструментом неразрушающего контроля (дефектоскопом) 133
5.3. Внедрение результатов диссертационной работы 136
5.3.1. Рациональная отработка талевых канатов на предприятиях с помощью программного комплекса «АВТОПЕРЕПУСК» 136
5.3.2. Общие рекомендации по обеспечению эффективной работы талевых канатов 137
Заключение 138
Список сокращений и условных обозначений 140
Словарь терминов 141
Список литературы 142
Приложения 146
- Исследования В.И. Тарасевича и В.Л. Шохина
- Применение показателя k при моделировании работы каната
- Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке при основных операциях: СПО, бурении, отборе керна, спуске обсадных труб
- Подтверждение результатов моделирования с помощью измерений промысловых данных инструментом неразрушающего контроля (дефектоскопом)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Неточное (или отсутствующее) представление о загруженности талевого каната в оснастке талевой системы буровых установок во многих случаях снижает безопасность ведения работ и требует дополнительных затрат времени на перепуск.
В классическом бурении спуско-подъемные операции с бурильными трубами (СПО) занимали основную долю буровых работ, а все остальные операции: механическое бурение (долбление), отбор керна, наращивание, проработка ствола и т.п. – занимали небольшую долю работ, и при расчете объема выполненной спуско-подъемным комплексом (СПК) работы ими пренебрегали. Однако, в связи с совершенствованием техники и технологий, ситуация в современном бурении изменилась: объем СПО существенно сократился, поскольку замена изношенного долота стала требоваться реже, и доля работы СПК при других операциях стала сопоставима с СПО. Очевидно, из-за этого изменятся и параметры отработки талевого каната. Поэтому весьма актуально создание уточненной модели работы талевого каната, учитывающей изменившиеся условия бурения с соответствующей системой перепуска.
Создание уточненной модели работы каната в оснастке талевой системы необходимо также в связи с появлением принципиально новых конструкций буровых установок. Талевые системы с отводными шкивами, лебедки мобильных буровых установок с барабанами уменьшенного диаметра, новые тормозные устройства и системы управления буровыми лебедками, применение систем верхнего привода (СВП) – все эти конструктивные изменения требуют также учета их влияния на расходование технического ресурса каната.
Степень разработанности темы исследования. Вопросами работы канатов в талевой системе буровых установок занимались М.А. Букштейн, И. Костин, В.И. Тарасевич, С.А. Волонсевич, С.И. Ефимченко и др. Однако в трудах этих ученых остаются невыясненными вопросы моделирования работы талевого каната с учетом существенных факторов изменившихся условий работы каната, влияющих на выход его из строя, в том числе: влияния соотношения диаметров шкивов и навивки каната на барабан лебедки, учета разнообразных перемещений талевого блока при выполнении операций в процессе проводки скважины, влияния вибрации и наличия отводных шкивов в талевой системе.
Цель и задачи. Целью исследования является обеспечение эффективной работы талевых канатов на буровых установках с учетом изменившихся условий бурения и конструктивных особенностей талевых систем буровых установок последнего поколения. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Разработать математическую модель работы канатов в талевой системе с учетом изменившихся условий бурения и конструктивных факторов.
2. Изучить влияние основных факторов на работу талевых канатов в изменившихся условиях бурения, проанализировать и обработать экспериментальные и статистические данные работы канатов.
3. Проверить адекватность результатов моделирования работы талевых канатов в сопоставлении с их фактической работой.
4. Разработать рекомендации по эффективной работе талевых канатов в талевой системе буровых установок.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель работы талевого каната, учитывающая: а) уточненное влияние соотношения диаметра шкивов и диаметра навивки каната на барабан лебедки; б) изменение высоты подъема талевого блока и его нижнего положения при различных операциях в процессе проводки скважины; в) уточненное влияние вибрации в талевой системе; г) наличие отводных шкивов.
2. Уточнены показатели долговечности талевого каната, учитывающие влияние соотношения диаметра тела огибания к диаметру каната (показатель k) и влияние растягивающего усилия в канате (показатель m).
3. Получена аналитическая зависимость КПД талевой системы, позволяющая качественно оценить процесс работы талевой системы, при этом указанный КПД находится как среднее геометрическое двух КПД – при подъеме и при спуске, с учетом возможных отводных шкивов для тяговой струны.
Теоретическая и практическая значимость. Основные научные результаты диссертационной работы взяты за основу в программном комплексе «Автоперепуск», позволяющем подбирать уточненные параметры отработки талевых канатов, вести журнал учета наработки каната, проводить перепуски каната исходя и из достигнутой наработки, и из достигнутого числа оборванных проволок на шаге свивки каната во внешнем слое прядей. Разработанное программное обеспечение может быть использовано в проектных и научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованием и разработкой бурового оборудования, на канатных заводах, в буровых организациях, эксплуатирующих буровое оборудование. Применение научных результатов диссертации позволяет увеличить технический ресурс талевых канатов на 30-45% и обеспечивает их эффективную работу.
Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды С.И. Ефимченко в области изучения загруженности талевого каната числом изгибов на шкивах и барабане буровой лебедки при СПО и сформированная на их базе математическая модель работы каната в талевой системе. При проведении исследования и изложении материала были применены общенаучные подходы (системный, формализованный и др.) и методы научного познания (эксперимент, сравнение, моделирование и др.).
Положения, выносимые на защиту
Математическая модель работы талевого каната, учитывающая: уточненное влияние соотношения диаметра шкивов и диаметра навивки каната на барабан лебедки; изменение высоты подъема талевого блока и его нижнего положения при различных операциях в процессе проводки скважины; уточненное влияние вибрации в талевой системе; наличие отводных шкивов.
Уточненные оценочные значения показателей долговечности талевого каната, учитывающие влияние соотношения диаметра тела огибания к диаметру каната и влияние растягивающего усилия в канате.
Формула КПД талевой системы, как среднее геометрическое КПД при подъеме и при спуске, с учетом отводных шкивов для тяговой струны.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных данных обеспечивалась применением апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.
Результаты исследований были доложены и обсуждены на 61-ой, 62-ой, 63-ей Студенческой научной конференции «Нефть и газ» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, соответственно 2007, 2008, 2009 гг.); VIII и IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, соответственно 2010, 2012 гг.).
Для постепенного внедрения результатов исследований в производственный процесс, с 2010 г. организованы технологические семинары по направлению «Рациональная отработка талевых канатов» для повышения квалификации работников нефтегазовой промышленности.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах, в том числе: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебное пособие, 1 учебник, 2 свидетельства о государственной регистрации программы на ЭВМ. Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, в том числе на иностранных языках. Содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста и на 63 страницах приложений. Диссертация содержит 50 таблиц, в том числе 15 таблиц в приложениях, иллюстрирована 137 рисунками, в том числе 43 рисунками в приложениях.
Исследования В.И. Тарасевича и В.Л. Шохина
Рассмотрим работу [47], связанную с исследованиями загруженности каната и в оснастке, и по всей длине каната в бухте, то есть связанную еще и с разработкой обоснованной системы перепуска.
Одно из мероприятий по увеличению срока службы талевого каната состоит в применении канатов увеличенной длины и периодической их перетяжке в процессе эксплуатации, то есть в период проводки скважины. Во многих конторах бурения буровые мастера применяют перетяжку талевого каната ([48], [49]). Однако при этом величины перетяжек каната устанавливаются произвольно, без должного обоснования. Ниже приводится методика обоснования рациональной отработки талевого каната и опыт эксплуатации талевых канатов с перетяжкой при бурении скважин в Самарской (в прошлом - Куйбышевской) области.
Задача рациональной отработки талевого каната заключается в достижении более или менее равномерного износа талевого каната и получении наиболее высокой работоспособности его в целом.
Определение работоспособности талевого каната при бурении данного интервала с учетом всех факторов рассматривалось в работе [50]. При работе талевой системы происходят неравномерная работа отдельных струн талевой оснастки и неравномерный их износ.
Для оценки объема выполненной работы каждой струны можно воспользоваться формулой [26]: где Pi - натяжение данной струны; vt - линейная скорость струны при прохождении через данный канатный шкив и при навивании на барабан лебедки; t - время перемещения на рассматриваемом участке; п - число канатных шкивов, через которые переместился канат.
Работа каждой струны и коэффициенты пропорциональности для талевой системы 5х6 приведены в Таблице 1.8, где h - длина струны талевой оснастки в нижнем положении талевого блока (при этом пренебрегаем потерями в канатных шкивах). Как видно из Таблицы 1.8, максимальная работа приходится на седьмую струну. При подъеме крюка талевой системы на высоту где h) - высота подъема крюка талевой системы; тс - число рабочих струн; Р - натяжение рабочих струн (пренебрегая потерями в канатных шкивах).
При высоте вышки 41 м и оснастке 5x6, когда да=10, Ло=25 м, /г=40 м, имеем mho=6,25h, то есть AT=A-J. Значит, работа седьмой струны численно равна работе подвижной части талевой системы. Таким образом, по работе седьмой струны можно контролировать отработку талевого каната.
Диаграмма работы отдельных струн талевого каната без применения его перетяжки. Как видно из диаграммы, при достижении седьмой струной нормы отработки талевого каната приходится менять весь канат. При этом остальные струны, как видно из значений коэффициентов пропорциональности (Таблица 1.8), совершат меньшую работу. При применении длинных канатов (двойной и тройной длины) и перетяжки каждая струна перемещается в новое положение. Работа каждой струны будет складываться из работы, которую она совершила до перетяжки, и работы, которую она совершила после перетяжки: A = KЛA 7_1 + K i2 A 7_2 +... + KшA 7_n , (17) где Ki 1, Ki2, Ki 3 и т.д. - коэффициент пропорциональности данной струны с порядковым номером i при первом, втором, третьем и т.д. положениях струны в талевой системе; А7-1, А 7-2, А7-3 и т.д. - работа седьмой струны талевой системы при первом, втором, третьем и т.д. положениях струны в талевой системе.
Очевидно, общая работа двойной или тройной бухты будет: (1.8) A0=A7_1+A7_2+... + A7_n
При этом суммарная работа какой-либо струны не должна превышать норму отработки одинарной бухты талевого каната, то есть AC N. Рассмотрим для примера случай, когда при оснастке 5х6 и высоте вышки 41 м применяется двойная бухта и осуществляется 14 перетяжек по 40 м, то есть 14х40=560 м. Примем, что при каждой перетяжке работа седьмой струны одна и та же, то есть A 7_1 = A7_2 = ... = A7_n = A7. Для определения значений коэффициента АС / А 7 по каждой струне воспользуемся табличным построением коэффициентов. При каждой перетяжке сдвигаем строку значений коэффициентов пропорциональности на величину перетяжки, в данном случае на величину одной струны (Таблица 1.9).
Применение показателя k при моделировании работы каната
Сравним ресурс талевого каната при огибании шкива и при огибании барабана буровой лебедки на основе анализа формулы (2.2).
При огибании канатом шкива диаметром по дну желоба DШ (диаметры всех шкивов талевого блока/крюкоблока и кронблока одинаковы) можно записать где NШ – ресурс талевого каната при огибании шкива; С1 – коэффициент пропорциональности для определенного нагружения определенного каната.
При огибании канатом барабана буровой лебедки диаметром по гладкой части DБ при намотке первого слоя, причем при том же самом нагружении того же самого каната, что и при огибании шкива (см. формулу (3.11)) будем иметь:
Из выражений (3.13) и (3.14) следует, что ресурс каната при огибании шкива талевой системы больше, чем ресурс каната при огибании барабана буровой лебедки при одинаковом нагружении и одинаковом канате на величину (DШ/DБ)k.
Физический смысл в этом заключении следующий. При распределении числа изгибов каната по длине каната в оснастке имеется зона (участок) каната, проходящая через барабан буровой лебедки. Эффект изгиба каната на шкиве определяет ресурс каната при огибании шкива, а эффект изгиба каната на барабане – соответственно определяет ресурс каната при огибании барабана. По длине каната в оснастке имеются участки каната, где имеется только изгиб каната на шкиве, или только изгиб каната на барабане, а имеются и участки, где присутствуют как изгибы на шкиве, так и на барабане. В любом случае, чем больше ресурс каната, тем большее число изгибов каната может претерпевать участок каната. Следовательно, для одного изгиба каната важно, чтобы ресурс каната расходовался минимальный. То есть физический смысл вышеприведенного заключения, вытекшего из выражений (3.13) и (3.14), в том, что при огибании шкива один и тот же канат выдерживает большее число изгибов, чем число изгибов при огибании барабана буровой лебедки на величину (DШ/DБ)k. Другими словами, если принять наработку (накопление ресурса) каната, равную одному изгибу на шкиве талевой системы, за величину NarШ, то наработка (накопление ресурса) каната, равная изгибу на барабане будет равна:
Отсюда Nm = 1,95 NE, то есть ресурс каната при огибании шкива больше ресурса каната при огибании барабана при одинаковом нагружении и одинаковом канате в 1,95 раза, или NarE = 1,95 Ыагш, то есть прирост наработки каната за один изгиб на барабане больше прироста наработки каната за один изгиб на шкиве примерно в 2 раза. Второй вывод больше подходит для практического применения, поскольку появляется возможность для одного каната сравнивать приросты наработки при огибании шкива и при огибании барабана.
Таким образом, установлено, что показатель к влияет на долговечность каната. Также на основе проведенных исследований сделан вывод о рекомендации оценочного показателя к равным 2,6 при бурении скважин глубиной от 2000 до 3500 м; 2,4 при бурении скважин глубиной до 2000 м; и 2,8 при бурении скважин глубиной более 3500 м (см. Таблицу 3.13).
Известен ряд зависимостей для расчета числа перегибов стального каната до разрушения при испытании на пробежной машине. Д.Г.Житков [3] предложил следующую формулу: А 8,5СС2о- , (3.17) Е dK где N - число повторных перегибов до разрушения каната в тысячах, - напряжение растяжения в канате, кгс/мм2; D/dm - отношение диаметра шкива к диаметру каната; С1 - коэффициент, зависящий от конструкции каната, его свивки, предела прочности на растяжение; С2 - коэффициент, применяемый в зависимости от диаметра каната; - коэффициент, зависящий от марки проволоки. Колчин А.И. [24,25] предлагает свою формулу для крановых канатов:
Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке при основных операциях: СПО, бурении, отборе керна, спуске обсадных труб
Рассмотрим основные операции, выполняемые в процессе бурения талевой системой. Такие операции включают: а) СПО по спуску или подъему колонны бурильных труб; б) бурение (традиционным способом или с помощью верхнего привода); в) отбор керна; г) спуск обсадных труб. Существуют также другие операции, например работа с ясом, освобождение от прихвата, которые занимают относительно небольшой объем от всех операций вцелом, и которые не поддаются учету ввиду своей нестандартности. В зависимости от ситуации их можно интерпретировать как какую-нибудь вышеуказанную операцию, зная начальное и конечное положение талевого блока.
Разберем каждую из основных операций по отдельности и опишем для каждой операции построение модели распределения числа изгибов каната по длине в оснастке.
а) При СПО при подъеме колонны бурильных труб талевый блок из крайнего нижнего положения (h0=0 м, где h0 – высота талевого блока от крайнего нижнего положения) перемещается в верхнее положение на высоту свечи (h=lСВ, где h – высота подъема талевого блока, lСВ – длина свечи) под нагрузкой, поднимая колонну, и затем вновь спускается за новой свечой без нагрузки из верхнего положения (h=lСВ) в нижнее (h0=0). Как уже говорилось ранее – работа каната с нагрузкой и обратная аналогичная работа, но без нагрузки, считается одним полным циклом работы талевого каната.
При СПО при спуске колонны все происходит в обратном порядке: талевый блок из нижнего положения (h0=0) перемещается в верхнее положение (h=lСВ) без нагрузки для соединения элеватора с колонной, и затем опускает колонну под нагрузкой из верхнего положения (h=lСВ) в нижнее (h0=0).
Длина свечи различных буровых установок варьируется от 18 м для мобильных БУ до 38 м на БУ для сверхглубокого бурения.
Порядок спуска и подъема талевого блока при СПО показан на Рисунке 4.12.
а) при длине свечи 25м; б) при длине свечи 27м
б) Различают бурение традиционным способом (применение ведущей трубы) и с помощью верхнего привода. При бурении с применением ведущей трубы длина пробуренного интервала за один заход не больше длины квадрата ведущей трубы. В свою очередь длина квадрата ограничена величиной передаваемого на колонну крутящего момента и его восприятием сечением квадрата ведущей трубы, а также необходимым запасом прочности указанной трубы. Длина рабочей части квадрата находится в пределах от 12 до 16 м [22]. При бурении же с помощью верхнего привода необходимость соединения ротора с колонной труб для вращения или восприятия сопротивления отсутствует, так как вращательной силой является сам верхний привод вместо ротора. В этом случае длина пробуренного интервала ограничивается длиной свечи колонны труб, и модель распределения изгибов каната по длине в оснастке за один цикл подъема/спуска выглядит примерно также, как при СПО (см. Рисунок 4.13).
При бурении традиционным способом обычно бурят на длину последующей трубы бурильной колонны (6-10 м, обычно в среднем lБТ=8 м).
На Рисунке 4.14 показаны типичные положения талевой системы при бурении. Положение а соответствует традиционному нижнему положению талевого блока при бурении: либо в момент окончания бурения, либо в момент начала бурения (в момент опускания талевого блока для соединения с ведущей трубой). Положение б соответствует началу фактического бурения, то есть когда ведущую трубу соединили с талевым блоком и колонной труб на роторе, и затем опустили всю колонну на забой для начала бурения. Фактическое бурение начинается как раз из положения б, и затем завершается в положении а. Положение в соответствует промежуточному положению талевого блока в момент подъема ведущей трубы и соединения ее с бурильной колонной, удерживаемой на клиньях ротора. Иногда фактическое бурение начинается с этой высоты, или с любой промежуточной между положениями б и в. Если фактическое бурение началось из положения в, то заканчивается оно, как правило, в положении г, при этом пробуренный интервал равен длине бурильной трубы. Однако такой прием (бурение из положения в в положение г) не удобен, поскольку не удается промыть пробуренный участок скважины без приподъема всей бурильной колонны на высоту ведущей трубы. Поэтому наиболее распространен вариант фактического бурения из положения б в положение а, с подъемом почти пустого талевого блока (с вертлюгом и ведущей трубой) в положение б для соединения ведущей трубы с колонной бурильных труб, удерживаемой на клиньях ротора.
Однако процесс бурения не ограничен чисто «фактическим» бурением, то есть бурением как таковым. Кроме этого необходимо также прорабатывать (шаблонировать) ствол скважины и вести промывку. Для операции проработки (шаблонирования) талевый блок совершает в точности такие же движения, как и при «фактическим» бурении. При промывке же возможно много вариантов положения талевого блока. Наиболее типичные из них показаны на Рисунке 4.15.
Рассмотрим положения на Рисунке 4.15: I – окончание спуска бурильной колонны (БК), или начало подъема БК; нагрузка на талевую систему в этом случае равна сумме веса БК в растворе (QБК) и веса подвижных частей талевой системы (GТС). II - наращивание трубы, далее идет спуск БК на высоту трубы ІБТ в положение I; при этом /?0=0, Ъ=1БТ.
Наработка: А = (QEK + GTC )-1БТ; В = Tm Zmax - наработка талевого каната в максимально нагруженном участке, где Т = . III - присоединение вертлюга с квадратом - это возможно после I или II (вариант после II для промывки показан в положении IV, а после двух БТ для промывки - показан в положении V); при этом из положения I в III: где GBT - вес ведущей трубы в воздухе; Zmax - максимальное число изгибов при h0=0, Ь=1БТ; m a x -максимальное число изгибов при /?0=0, h=lwr; Zmax - максимальное число изгибов при h0= ІБТ, Ь=1ВТ; ZmVax – максимальное число изгибов при h0=2lБТ, h=lВТ.
Еще одним методом в бурении является способ наращивания в шурфе, когда в шурфе находится не только ведущая труба с вертлюгом, а сразу бурильная труба, навернутая на ведущую. Этот метод совпадает с положением IV на Рисунке 4.15, и расчетные формулы наработки при этом останутся такими же.
Создание новой уточненной модели работы каната в оснастке талевой системы необходимо в связи с принципиально новыми конструкциями буровых установок. Новые конструкции талевых систем с отводными шкивами, новые лебедки мобильных буровых установок с барабанами уменьшенного диаметра, новые тормозные системы и системы управления, оснащение буровых установок системами верхнего привода (СВП) – все эти конструктивные изменения требуют учета разности диаметров шкивов и барабана лебедки, учета различных положений талевого блока, учета особенностей укладки каната на барабан лебедки, учета влияния на канат вибрационных нагрузок.
При работе талевой системы с СВП талевый блок движется по направляющим. Длина хода талевого блока в БУ с СВП обычно больше, чем без него, так как появляется возможность вести наращивание с помощью двух и даже трех бурильных труб, а не с помощью одной бурильной трубы, как это происходит при бурении традиционным способом. Поскольку новая модель работы каната учитывает всевозможные положения талевого блока, то и моделирование работы каната в талевой системе с СВП – также решаемая для новой модели задача.
Обобщая, можно сделать вывод о том, что при множестве операций талевый блок на БУ имеет различную высоту подъема из различных своих положений. Зная основные манипуляции с талевым блоком и долю (процент) их использования в общем объеме работ, можно смоделировать загруженность работы каната в оснастке (см. раздел 4.11 главы 4). 4.5. Построение моделей распределения числа изгибов каната по длине в оснастке с нижним положением талевого блока, отличным от крайнего нижнего положения
Рассмотрим случай, когда талевый блок совершает цикл своей работы (подъем-спуск) от положения, отличного от крайнего нижнего положения, то есть при /г00. Или наоборот - когда талевый блок совершает спуск-подъем в положение, отличное от крайнего нижнего положения. Первый случай может возникнуть при промывке скважины после наращивания и шаблонирования, второй случай может возникнуть на практике, например, при бурении с помощью ведущей трубы, когда талевый блок не доходит до своего крайнего нижнего положения из-за внезапно возникнувшей нулевой проходки. Такие случаи редки, но они случаются, поэтому смоделировать их тоже необходимо.
Подтверждение результатов моделирования с помощью измерений промысловых данных инструментом неразрушающего контроля (дефектоскопом)
В последнее время находит применение контроль технического состояния талевых канатов инструментом неразрушающего контроля (дефектоскопом), как в России (см., например, [65]), так и за рубежом (см. [49]).
Согласно [65], на кустовой площадке №17 Ванкорского месторождения были проведены исследования по оценке технического состояния талевого каната МС-35,0-В-1670 ГОСТ 16853-88 №23415, в процессе выполнения нескольких замеров. Для бурения кустов на Ванкорском месторождении, используют одну из буровых БУ 5000/320 ЭК-БМ.
Перед проведением дефектоскопии был проведен визуальный осмотр данного каната и составлен акт осмотра, который не выявил наличие дефектов, влияющих на дальнейшую эксплуатацию каната. Процесс проведения неразрушающего контроля талевого каната проводился следующим образом: магнитная головка МГ 20-40 была подвешена над лебедочным блоком на двух канатах диаметром 4 мм, которые входили в комплект поставки дефектоскопа. Канаты были закреплены за край укрытия вышечного блока так, как показано на Рисунке 5.17.
После подвески магнитной головки была проведена операция намагничивания талевого каната путем его прохождения через устройство сначала максимально вверх, а затем максимально вниз дважды со скоростью 0,7 м/с. По окончанию данной операции была проведена непосредственно сама дефектоскопия.
Полученные дефектограммы представлены на Рисунке 5.18. В Таблице 5.7 приведены оценочные данные по количеству и месту отбраковок проволок.
Зная из Таблицы 5.7 данные по количеству оборванных проволок и местам обнаруженных дефектов, а также зная зависимость относительной наработки каната от числа оборванных проволок (см. Рисунок 4.39 в главе 4), мы можем на местах обнаруженных дефектов вычислить наработку каната в относительных единицах (процентах). На Рисунке 5.19 точками показаны относительные наработки каната, полученные путем измерения дефектоскопом числа оборванных проволок на опытном испытываемом талевом канате. Видим, что максимальное количество оборванных проволок – 3, соответствует 60% относительной наработки каната, 2 оборванные проволоки – 57% и 1 оборванная проволока – 54% относительной наработки.
Смоделируем для данных условий работу каната. Максимально нагруженной зоне каната при этом присвоим наработку в 60%, соответствующую 3 оборванным проволокам на шаге свивки, в соответствии с опытным канатом. Проверим адекватность разработанной модели работы каната в оснастке. Чем точнее будут сходится модель расходования ресурса каната в оснастке и точки опытных данных (полученных в результате фактического измерения оборванных проволок на шаге свивки каната дефектоскопом), тем адекватней будет полученная модель. Исходные данные: канат выполнял две группы операций – СПО и операции бурения; UТС=10; Otv=0 (отводных шкивов нет); Н=39 м; DШ=1,285 м; dК=0,035 м; DБ=0,835 м (по дну желобчатых накладок, неконтролируемая навивка); LБ=1,65 м; =450; mВ=0; N=10; LZ=0,5 м, LT=61 м, LN=75 м; х1=27 м (СПО), х2=8 м (бурение); h10=0, h20=0; PR1=35% (наработка в кН2,0 при СПО составила 0,35 от наработки в кН2,0 при операциях бурения), PR2=65%; вибрация отсутствует.
Полученную модель расходования ресурса каната в оснастке, построенную в относительных единицах (наработке в процентах, с условием отработки каната в его максимально загруженном участке в 60% относительной наработки), также представим на Рисунке 5.19 и сравним с фактической отработкой, локально измеренной в некоторых участках каната с помощью дефектоскопа. На Рисунке 5.20 представим старую (предыдущую известную) модель по [6] загруженности каната числами изгибов при СПО.
136 допустим, первую оснастку по старой методике мы отработаем хорошо по правой части каната. Но когда дальше будем проводить перепуск и учитывать подсчитанную неверно по старой методике загруженность каната в предыдущей оснастке, то не сможем верно спрогнозировать новые дефектуемые участки каната. То есть загруженность левой части, которая считается по новой модели, необходима для лучшего (более точного) подсчета суммарной загруженности каната в последующих оснастках.
Начиная с 2010 г. по настоящее время несколько раз в год проходят семинары по направлению «Рациональная отработка талевых канатов», включающие следующие разделы:
- введение (актуальность рациональной отработки талевых канатов; современная ситуация в эксплуатации талевых канатов; проблематика работы талевых канатов; расход талевого каната,
затраты, связанные с его отработкой);
- талевый канат и смежное оборудование (изучение современных конструкций талевых канатов и тенденций их развития; требования к спуско-подъёмному оборудованию – к конструкции шкивов, барабанов лебёдки и т.п.; обзор типов талевых систем, расчёт их параметров; выбор типоразмера каната, рекомендации по его вводу в талевую систему; рекомендации по повышению надёжности и эффективности подъёмного комплекса буровых установок);
- факторы, обуславливающие выход талевых канатов из строя (спектры нагрузок на талевый канат; влияние различных факторов на выход каната из строя: натяжения от нагрузки на крюке, изгиба на шкивах талевой системы и барабане буровой лебёдки, вибрации от колонны бурильных труб, неравномерности укладки каната на барабан и т.п.; критерии отбраковки талевых канатов; методика оценки долговечности канатов; расчёт требуемого диаметра барабана буровой лебёдки и диаметра шкивов талевой системы исходя из заданной долговечности талевого каната);
- основы отработки талевых канатов с перепуском (основы перепуска талевого каната; наработка талевого каната; методы расчёта потребности талевого каната за цикл бурения скважины; методики перепуска талевого каната);
- составление регламента рациональной отработки талевого каната (концепция, гипотезы и допущения, принятые при составлении алгоритма рациональной отработки талевых канатов; алгоритм расчёта регламента рациональной отработки; расчёт загруженности каната в оснастке и во всей бухте; выбор числа оснасток и длин перепуска каната; контроль над текущей отработкой каждой оснастки); - ознакомление с программным обеспечением расчёта регламента рациональной отработки талевых канатов (интерфейс программы, ввод исходных данных, основы расчёта, состав и функциональные возможности программы; навыки работы на компьютерах с программным обеспечением; навыки по составлению контрольной карты отработки талевого каната для конкретных условий бурения; расчёт регламента с составлением контрольной карты рациональной отработки талевого каната по конкретным исходным данным). Занятия созданы работниками кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина и проходят в Учебно-Исследовательском Центре повышения квалификации и переподготовки руководящих работников и специалистов нефтегазовых отраслей промышленности и педагогических работников. Курс семинаров предназначен для инженерно-технических работников, сотрудников НИИ, КБ, буровых предприятий, а также для предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих буровое оборудование.
Семинары по направлению «Рациональная отработка талевых канатов» пользуются спросом и имеют положительные отзывы слушателей. Благодаря семинарам ведется постепенное внедрение результатов исследований в производственный процесс. Методика отработки талевых канатов благодаря моделированию их работы на основе положений, выдвинутых в работе, осваивается слушателями, также как и рекомендации по обеспечению эффективной работы талевых канатов. На семинарах побывали слушатели из различных отечественных и зарубежных организаций и их филиалов по всей стране, в том числе: ООО «РН-Бурение», ООО «БК-Евразия», ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «КУРС», ООО «БМК-Мечел», ЗАО «Оренбургбурнефть», ОАО «Татнефть» ООО «Бурение», ООО «Татбурнефть», «Wetherford Холдинг РУС», ООО «НПРС-1», ЗАО «Нижневартовскбурнефть».
Программа «АВТОПЕРЕПУСК», предлагаемая для буровиков, позволяет составлять контрольную карту отработки талевого каната, сохранять и открывать отчеты о работе талевых канатов, составлять журнал учета наработки каната, оценивать долговечность каната в числе пробуренных скважин, прогнозировать приближение локальных мест каната к своему предельному состоянию, проводить перепуски каната исходя и из достигнутой наработки, и из достигнутого числа оборванных проволок на шаге свивки каната во внешнем слое прядей.
В Приложении П10 даны краткие отчеты по некоторым из семинаров «Рациональная отработка талевых канатов». В Приложении П11 прилагаются письма с предприятий об использовании программного обеспечения «Автоперепуск».
Учет изгибных факторов. Рекомендуется показатель k в формуле (2.2) (показатель, влияющий на долговечность каната в зависимости от величины отношения диаметра тела огибания к диаметру каната) выбирать не от 2 до 3 (и раньше его выбор из этого диапазона ничем не был обоснован), а в соответствии с Таблицей 3.13 (2,6 при условной глубине бурения от 2000 до 3500 м; 2,4 при условной глубине бурения до 2000 м; 2,8 при условной глубине бурения более 3500 м).
Учет факторов растягивающих напряжений. Рекомендуется показатель m в формуле (2.2) (показатель, влияющий на долговечность каната в зависимости от величины растягивающего усилия в канате) выбирать не от 1,65 до 1,7 (и раньше его выбор из этого диапазона ничем не был обоснован), а в соответствии с Таблицей 3.13 (1,6 при условной глубине бурения от 2000 до 3500 м; 1,2 при условной глубине бурения до 2000 м; 2,0 при условной глубине бурения более 3500 м) или в соответствии с расчетом, аналогичным расчету в разделе 5.1.1 главы 5.
Учет конструктивных факторов. Наличие отводных шкивов, разность диаметров барабана лебедки и шкивов талевой системы, особенности укладки на барабан, различная высота подъема талевого блока и его начальное положение - все это влияет на эффективную работу талевых канатов в оснастке талевой системы буровых установок. Рассчитать и проанализировать КПД талевой системы при подъёме или при спуске можно по новой упрощенной формуле (4.67): Лтс = Лш , где Цш - КПД одного шкива; UTC - кратность оснастки, Now - число отводных шкивов возле тяговой струны. Это делает менее трудоемким расчет КПД и расхождение между известными формулами составляет не более 1%.
Учет влияния вибрации талевой системы. При вибрациях в процессе бурения и СПО зона набегания неподвижной струны на последний шкив и сбегания с него является локальной зоной накопления усталостных факторов, что приводит к усталостному износу каната. Вибрация талевой системы - это негативный фактор, и его по возможности следует избегать (применение в приводе двигателей с гибкой характеристикой; улучшение условий навивки каната на барабан; переход с роторного бурения на бурение с помощью забойных двигателей; применение наддолотных амортизаторов; применение каната с пластиковым слоем; применение футерованных пластиком шкивов).
Использование программного обеспечения «АВТОПЕРЕПУСК». Буровикам предлагается формировать регламенты отработки талевых канатов путем моделирования расходования технического ресурса талевого каната и представления его в виде программного обеспечения, более детально учитывающего факторы, вызывающие выход талевых канатов из строя (влияние диаметров шкивов и участков барабана на накопление усталостных факторов в талевом канате; влияние высоты подъема талевого блока, нижнего положения талевого блока; влияние вибрации в процессе СПО и в процессе бурения; наличие или отсутствие отводных шкивов; возможность корректировки модели, и др.). Данное моделирование крайне востребовано буровиками для объяснения фактов плохой неполной работы канатов в талевой системе и обеспечения безопасного ведения буровых работ.
