§ 2. Режим работы- и нагрузки буровых установок

Во время выбора буровой установки для тех или иных условий бурения и определения ее эффективности или создания новой уста­новки при проектировочных и поверочных расчетах и определении прочности и долговечности ее узлов исходными данными всегда являются проектная глубина и конструкция скважины и буриль­ной колонны, средняя скорость механического бурения и количество рейсов, которое должно быть сделано в процессе бурения скважины.

Эти данные не являются постоянными или заранее известными. Во время эксплуатации буровых установок они изменяются в ши­роких пределах и по существу являются случайными величинами ⁱ.

Так, например, количество рейсов бурильных колонн и ско­рость бурения даже при одной и той же глубине и одной и той же конструкции скважин зависят от буримости пород, режима бурения, опыта и квалификации бурильщика и т. д,

Случайный характер указанных факторов, их изменчивость обусловливают появление случайных нагрузок в звеньях буровых установок в эксплуатационных условиях.

Нагрузки при переменном режиме работы буровой установки в главных исполнительных звеньях в процессе бурения скважины можно подразделить на следующие категории.

¹ Под случайной подразумевается величина, принимающая при опытах то или иное значение, неизвестное заранее.

9* 131

1. Систематические (часто повторяющиеся), опреде­ ляемые силой тяжести, находящейся в данный момент на крюке бурильной колонны; и моментом, необходимым для ее вращения или давления развиваемым насосом, и т. д. Эти нагрузки действуют систематически в процессе бурения и спуско-подъемных операций.

2. Несистематические {не частые), определяемые мас­ сой спускаемой обсадной колонны.

3. Аварийные, возникающие при ликвидации прихватов колонны или при авариях.

Аварийные нагрузки могут достигать весьма больших значе­ний, так как во время аварий для их ликвидации бурильщик всегда может применить недопустимо большие усилия на крюке для извле­чения колонны; создать большой момент на роторе для проворачи­вания колонны или большое давление на выкиде насосов для вос­становления циркуляции промывочной жидкости.

Изменение нагрузок в столь широком диапазоне вызывает не­обходимость производить два вида расчетов основных элементов буровых установок, передающих нагрузки, так как расчеты по вы­носливости при циклически действующих нагрузках не могут га­рантировать прочности во время действия максимальных усилий и наоборот.

Поэтому основные части буровых установок рассчитываются на статическую прочность и усталость.

Максимальные расчетные нагрузки. Расчеты на статическую прочность частей буровых установок проводятся по максимальным нагрузкам. В качестве расчетных величин при расчетах на статическую прочность принимаются: для подъемного механизма усилие Р_с, создаваемое на крюке наибольшим весом обсадной или бурильной колонны в воде Т_к, типовой номинальной длины L_a с учетом усилия Р_а сопротивления движению колонны в скважине, необходимого для ликвидации аварии или прихвата колонны. Это усилие определяется как средневероятное на основа­нии данных практики бурения,

где q — вес 1 м труб с учетом веса высаженной части замков или

муфт в воздухе; Р_н — вес тяжелого низа, турбобура и других частей колонны

в воздухе;

а — коэффициент, учитывающий потерю в весе колонны в жид­кости.

Для стальных труб, находящихся в воде, а = 0,87. За расчетное давление р_тат принимается такое, какое необходимо для преодоле­ния гидравлических сопротивлений всей циркуляционной системы скважины номинальной глубины, типовой конструкции.

132

Величина K_v зависит от глубин скважин и составляет 1,5—2.

Ротор и части его привода рассчитываются, исходя из максималь­ного момента Af_T, необходимого для скручивания бурильных труб, с учетом коэффициента запаса К.^ = 1,2 -г- 1,5.

М_Ш„-Л/Д_В. (V-3)

Но избежание разрывов в циркуляционной системе устанавли­ваются предохранительные клапаны, а для предотвращения скру-чивания бурильных труб предусматриваются ограничители момента.

Максимальные нагрузки определяются в зависимости от глубины и конструкции номинальной скважины.

За номинальную принимается скважина наиболее вероятной конструкции, наибольшей глубины, которая может быть пробурена установкой данного класса с применением бурильной колонны с но­минальным диаметром труб.

В установках для бурения глубоких скважин за номинальные принимаются стальные бурильные трубы диаметром 114 мм с на­ружу высаженными концами с относительным весом 1 м в воздухе 29,5 кг.

Систематически действующие циклические нагрузки

В процессе эксплуатации на буровую установку действуют весьма разнообразные циклические нагрузки, способствующие раз­рушению отдельных ее частей.

Так как в качестве расчетной может быть взята только одна нагрузка, то определение их на выносливость ведут по приведенной эквивалентной нагрузке. Эта нагрузка принимается при некотором условном стационарном режиме, когда она действует на рассчиты­ваемую часть в течение всего срока службы.

В процессе эксплуатации одну и ту же буровую установку можна применять для бурения скважин различной глубины и конструкций. Поэтому для определения эквивалентных нагрузок при расчетах на усталостную прочность за исходную принимают базовую сква­жину, т. е. скважину с наиболее вероятной конструкцией.

Для этого можно использовать график (рис. V-2) о изменении объема бурения в зависимости от глубины скважины за различные периоды времени. Например, кривые 1, 2 и 3 характеризуют измене­ние объема бурения по глубинам за какие-то три пятилетия.

Такие изменения происходят в результате открытия новых месторождений нефти и газа и изменения объема бурения на уже разбуриваемых площадях.

На этом графике линиями Л, а и Б, б показано изменение глу­бин типовых скважин для двух классов буровых установок: напри­мер БУ-50 и БУ-80 за различные периоды времени. Линии я и б соответствуют глубинам базовых скважин в периоды, характе­ризующиеся кривой 2, а линии А и Б соответственно в периоды, характеризующиеся кривой 3. Кривая 3 лежит выше 1 is. 2, что

13S

указывает на увеличение общего объема бурения, например, в по­следнее пятилетие по сравнению с предыдущими и на изменение структуры бурения по глубинам. Так, например, объем бурения скважин глубиной 900 м (линия А) стал больше, чем объем буре­ния скважин глубиной 1100 м (линия а), а скважин глубиной 1900 м (линия б) стал меньше, чем скважин глубиной 2100 м (линия Б). Следовательно, и глубины скважин, которые будут приниматься как базовые (например, для буровых установок БУ-50 и БУ-80), соответственно должны изменяться для этих периодов времени.

О

6У-2

Рис.

V-2. Изменение объема бурения по глуби­нам скважин.

Т ак как заранее точ­но неизвестны глубины скважин и их объем, то буровые установки од­ного типа должны быть рассчитаны на эффек­тивное бурение скважин различной глубины, при этом должны быть опре­делены пределы эффек­тивных глубин бурения. Наибольшая глубина эффективного бурения называется номиналь­ной. Для рассматрива­емого примера номи­нальные глубины огра­ничены линиями бис (рис. V-2). Нижним пре­делом, ограниченном ли­ниями аи Ъ, опреде-ективность глубины бурения установки дан-

ляется наименьшая Э( ного класса.

Базовые глубины (линии А и £»), распределяемые между этими пределами, меньше номинальных.

Аналогичным образом для типовой скважины определяются конструкции и диаметры отдельных интервалов ствола. Для подсчета эквивалентных нагрузок принимается количество рейсов и скорость механического бурения базовой скважины типовой конструкции. Эти величины случайные я характеризуются плотностью и функцией их распределения.

Законом плотности распределения вероятностей случайной ве­личины называют зависимость, устанавливающую связь между воз­можными ее значениями и соответствующими им вероятностям. Функция распределения случайной величины представляет собой интегральную кривую от закона плотности распределения.

На практике наиболее часто встречается нормальный закон плотности распределения (закон Гаусса); его и принимают при опре­делении математического ожидания случайных величин — коли-

134

честна рейсов и времени механического бурения типовой скважины, т. е. «кривых» проходок. Математическое ожидание случайной ве­личины представляет собой предел, к которому стремится среднее значение случайных величии при неограниченном возрастании их количества.

Из теории вероятности известно, что для получения расчетных данных, основанных па исследованиях случайных величин, доста­точно провести 100—200 опытов. В этом случае расхождения между опытной и действительной вероятностями весьма незначительны

N,

как

и их принимают закономерность.

max Число рейсов

Рис. V-3. Зависимость числа рейсов от глубины скважины и условий бурения.

За закономерность изменения числа рейсов и времени механиче­ского бурения для ба­зовой скважины прини­мается математическое ожидание случайных функций этих величин и исходя из этих данных ведут определение экви­валентных нагрузок. Для определения сроков службы буровых уста­новок в условиях, от­личных от типовых, достаточно найти мате­матическое ожидание количества рейсов и вре­мени механического бу­рения для конкретных условий данного района и определить по­правочный коэффициент, который и будет характеризовать отличие фактической долговечности от расчетной, принятой при проектиро­вании буровой установки по базовой скважине типовой конструк­ции.

Характер изменения кривых (линии 1 и 2} математического ожи­дания, числа рейсов в зависимости от глубины скважин и условий бурения показан на рис. V-3. Зависимость времени проходки 1 м от глубины скважины приведена на рис. V-4.

В процессе проектирования новых буровых установок для ба­зовой скважины каждого класса установки определяют кривые проходки, т. е. находят закономерность изменения количества рей­сов п и времени вращения долота £_д в зависимости от глубины сква­жины.

Для определения числа циклов нагрузки подъемного механизма можно использовать уравнение кривой проходки параболического типа

(V-4)

Ш

где Б и k—постоянные параметры уравнения кривой проходки для типовой скважины, зависящие от геолото-техни­ческих условий бурения (k<^i и Б^>\]. Длину труб, извлекаемых за все время бурения скважины

{ полагая х — — и С = -^- ] :

\ К D^J

я т

Г'Ldn = C fn*dn = J J

(V-5)

2000 3000

Глубина скважины L.u

Рис. V-4. Зависимость времени проходки 1 м от глубины скважины.

I, 2 и з — фактическое время проходки i м по данным пробуренных скважин; 4 — матема­тическое ожидание времени проходки 1 м.

WOO

soeo

Из этой формулы можно найти длину труб, извлекаемых на

каждой скорости подъема ^L_f.

Если известны скорости v,._t подъема колонны на каждой пере­даче и скорость вращения n_i любого из валов подъемного механизма, то может быть найдено число циклов нагружения

*.-3£!^. '(V-6)

где « —коэффициент, учитывающий число нагружений рассчиты­ваемой части подъемного механизма за один оборот вала; с—число базовых скважин, которое должна пробурить уста­новка или ее агрегат за весь амортизационный срок службы z в годах.

136

Количество скважин, пробуриваемых установкой в тече­ние года,

Л=-*. (V-7)

Время, затрачиваемое на спуск бурильной колонны, и число циклов нагружений может быть определено из уравнения кривой проходки

или

,y_

^{

где Z — длина свечи;

В и е — постоянные коэффициенты, характеризующие диаграмму

<•=<•>(£)•

спуска бурильной колонны (величины Ф=10-=-60; е —

--=0,1-5-0,7);

Здесь L_i~- текущая глубина спуска.

Число циклов нагружеиия при спуске определяется аналогично-числу циклов при подъеме.

Амортизационный срок службы отдельных агрегатов и меха­низмов составляет обычно 3 — 6 лет, а всей установкой в целом 5 — 6 лот.

Для определения количества циклов нагружения насосов и ро­тора используют кривую проходки по времени для базовой скважины.

Закономерность изменения времени механического бурения 1 м в зависимости от глубины базовой скважины может иметь вид

t = ti + AL*, (V-9>

где ^ — время, затрачиваемое на бурение 1 .и в начале проходки;

L — глубина базовой скважины;

Л и а — постоянные величины, принятые для базовой скважины по данным бурения аналогичных скважин.

Бремя механического бурения одной базовой скважины

Величины нагрузок в течение рабочего цикла, действующие на большую часть узлов буровой установки, носят переменный ха­рактер. Изменение по величине фактических усилий Р^ на все глав­ные исполнительные звенья буровой установки характеризуется

графиком К. = ~ , показывающим с какой относительной нагрузкой •^о

137

работают механизмы и агрегаты буровой установки на про­тяжении расчетного срока службы. Здесь P_Q — нагрузка режима, принятого за расчетный.

Если колебания частей звеньев пуровой установки упругие, число циклов должно учитывать количество колебаний во время

1,0

075

0,75

V

О,5

\

05

.-0,25

0,25

0,25

0,75

0,25 45 OJ5 А 6

Рис. V-5. Нагрузочные гра­фики.

а — нагрузка на крюке при подъ­еме колонны; б — крутящий мо­мент ротора; в — усилие на штоке насоса; 1 — фактический нестацио­нарный режим; г — эквивалентный стационарный режим.

•каждого изменения нагрузок. При этом должна учитываться их 'интенсивность, т. е. фактическая нагрузка Я_ф. В результате

^*Л.₀> (V-H)

где ЛГ_Д —динамический коэффициент при упругих колебаниях;

^Ус—фактическая средняя нагрузка цикла.

На рис. V-5 показаны примерные нагрузочные графики главных исполнительных звеньев буровой установки. Если имеется нагру­зочный график (кривая 7), можно определить эквивалентную на­грузку (линия 2).

В общем виде

Р =Р К ^=

^J о * U **- .-

(V-12)

Л38

Здесь »г —показатель степени кривой выносливости;

jV₀ — базовое число перемен нагрузок при пределе вынос­ливости (см. табл. V-2); п — количество ступеней нагрузок;

К. — коэффициент долговечности (эквивалентности на­грузки).

В некоторых случаях удобней пользоваться формулой для коэф­фициента долговечности, в которой вместо относительного количества циклов р. принимают (3. — ее.у.. Тогда коэффициент долговечности

где а_ь 0.₂, . . ., а_в — относительные скорости вращения,

Пл Па

а-1_:--- — , а₂-~— ^-, . . . и т. д.;

"р ⁿ_s

ki, и₂, ... и т. д. —скорости вращения валов на различных режи-

мах; /г_р — скорость вращения, принятая за базовую при

расчете;

Yi! Уз- • • ••> у₍₍~~^{отпосптельное} время работы на данной ско­рости,

т т

Yi = -f->' Y2=-^- и т. д.;

T_lt 7'₃, . - ., Т¹,,— время работы при каждом режиме; Г— суммарное время работы;

Т _ . 7' _!_ Т -- J- Т

1 — 1 !~ 2 ₂ \- . . . -]- 1 .

К™, К?, , . ., #™ —коэффициенты относительной нагрузки

т.д.;

Л'и ^Фи • - ч ^t —фактические усилия, действующие при каждом

режиме.

При эксплуатации буровых установок возможны четыре режима нагружения деталей главных звеньев:

1. при спуско-подъемных операциях (подъемный механизм);

1. во время вращения бурильной колонны в процессе бурения (ротор и его привод);

2. при прокачке промывочной жидкости (буровые насосы и их привод);

3. комбинированной нагрузки, составленной из сочетания первых трех режимов.

139

Таблица V-2

Вид деформации	m	N0	Предельные значения коэффициента долговеч­ности К
Илгиб, кручонцс, растяже­ ние и сжатие	9	10?
Контактная прочность зуб-	3	См. рис. V-6	0,6 — минимальное
Контактная прочность под­шипников качения . . .	3	108	0,4 — минимальное Максимальное значение не ограничено. 0,25 — минимальное

10 Ю⁷

1510'

В каждом конкретном слу­чае значение коэффициента дол­говечности определяется в зависимости от режима нагру-жения и вида деформации (рас­тяжение , изгиб, контактные напряжения и т. д.).

s ю-ю'

Значения параметров т и N_Q приведены в табл. V-2.

510⁷

70

60

SO 90 ЮО Предел прочности Q

/iO 45 50 55 60 ff5

Твердость поверхностного слоя ffffC

Рис. V-6. Зависимость базового числа циклов нагружений от механической ха­рактеристики стали.

J — твердость поверхностного слоя HRC; 2 — предел прочности о_в.

Перед расчетами следует провести анализ усилий и мо­ментов при различных случаях нагружения. За расчетный ре­жим принимается режим буре­ния, соответствующий и схеме передачи энергии, при которой имеет место большее значение эквивалентной нагрузки. При­нимается , что выбранная рас­четная схема реализуется в те­чение всего срока службы бу­ровой установки. Во время расчетов частей, работающих не при симметричных циклах нагрузки, принимают числа циклов и пределы выносливости для соответствующего рода нагрузки.