МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

Малик Володимир Яркович

УДК 622.242.2

ДИНАМІЧНИЙ АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ГАЛЬМУВАННЯ В ТАЛЕВІЙ СИСТЕМІ БУРОВОЇ УСТАНОВКИ

Спеціальність 05.05.05 піднімально-транспортні машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Лях Михайло Михайлович,

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу,

доцент кафедри нафтогазового обладнання.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мартинців Михайло Павлович,

Національний лісотехнічний університет України,

професор кафедри прикладної механіки;

кандидат технічних наук, доцент

Бондаренко Леонід Миколайович,

Придніпровська державна академія

будівництва та архітектури,

доцент кафедри будівельних та дорожніх машин.

Захист відбудеться “ 13 ” вересня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розіслано “ 5 ” червня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Данильченко Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для вантажопіднімальних машин характерною є циклічність роботи вузлів, механізмів і агрегатів із частими пусками, зупинками та реверсами. До механізмів піднімально-транспортних машин відноситься спуско-піднімальний комплекс бурової установки.

При бурінні свердловин найбільш складними та працемісткими є спуско-піднімальні операції, тривалість яких досягає 50% від загального продуктивного часу, що витрачається на буріння залежно від глибини свердловини та про-ходки на долото. Спуск колони бурильних труб у свердловину займає 35–40від за-гального часу, який витрачається на спуско-піднімальні операції (СПО).

Підвищення інтенсивності СПО при бурінні свердловини вимагає всебічного аналізу та уточнення виникаючих динамічних процесів у талевій і гальмівній системах бурової установки та їх методів розрахунку, які залежать від співвідношення часу роботи, пауз і характеру навантаження. Крім того, режими спуску колони бурильних труб впливають на довговічність роботи цілої низки вузлів і деталей спуско-піднімального комплексу та складових частин колони.

При неправильному виборі режимів спуску відбувається інтенсивне спрацювання робочих частин талевої й гальмівної системи, що призводить до непродуктивних витрат часу та додаткових затрат на заміну спрацьованих деталей і вузлів. Тому вибір і дотримання раціональних режимів гальмування в процесі спуску бурильного інструменту гарантує отримання позитивного економічного ефекту.

З аналізу наукових праць, присвячених дослідженню умов роботи спуско-піднімального комплексу бурових установок, випливає, що на даний час відсутні конкретні та чіткі методики й рекомендації для визначення оптимальних режимів гальмування при спуску талевого блока, які б набули практичного використання. До того ж відсутнє відповідне технічне забезпечення, спроможне контролювати та підтримувати раціональні параметри й режими роботи спуско-піднімального комплексу під час гальмування при спуску талевого блока. У літературі містяться досить суперечливі відомості стосовно значень раціональних кінематичних параметрів спуску бурильного інструменту. Незважаючи на те, що талеву систему вважають найбільш вивченою та дослідженою частиною бурової установки, завдання встановлення раціональних значень швидкості спуску та сповільнення з урахуванням режимів гальмування залишається актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Запропонована дисертаційна робота є частиною планових державних науково-дослідних робіт із розвитку нафтопромислового комплексу України та базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт за напрямком “Наукові обгрунтування раціональних режимів роботи та вибір основних параметрів бурового обладнання”, номер державної реєстрації №0195U026337. Її основні положення ввійшли до банку результатів науково-дослідних робіт, що проводяться на замовлення ВАТ “Укрнафта” з метою створення стандарту СТП “Визначення коефіцієнтів динамічності для талевих систем і бурильних колон”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є обґрунтування раціональних кінематичних параметрів спуску бурильного інструменту у свердловину з урахуванням режимів гальмування стрічково-колодковим гальмом.

Для досягнення мети в роботі слід виконати такі задачі:

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження. Процеси гальмування в талевій системі бурової установки.

Предмет дослідження. Динамічні процеси в елементах талевої системи і стрічково-колодкове гальмо.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувались на основних положеннях теорій: динаміки спуско-піднімальних механізмів – для визначення навантажень, які діють на складові частини спуско-піднімального комплексу; ефективності будівництва свердловин і шляхів покращення надійності бурового обладнання – для визначення раціональних параметрів і режимів гальмування при спуску талевого блока. Для оптимізації кінематичних параметрів спуску бурильного інструменту з урахуванням теплового стану стрічково-колодкового гальма використано числові методи, метод множників Лагранжа та комплексний метод Бокса. Пошук екстремуму функціонала проведено методом покоординатного спуску з використанням методу Хука Дживса. Оброблення результатів випробувань здійснено за допомогою чисельних методів із використанням загальновідомих методик експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень визначено раціональні кінематичні параметри спуску з урахуванням режимів гальмування, які є основою для створення пристроїв автоматичного контролю й керування СПО.

Результати дисертаційної роботи використано для створення стандарту підприємства ВАТ “Укрнафта” СТП 320.001.35390.044-2000 “Визначення коефіцієнтів динамічності для талевих систем і бурильних колон”, який широко використовують при проведенні СПО. Окрім того, його основні положення використовують для розроблення нових схем та конструкцій спуско-піднімаль-ного комплексу.

Запропоновані в дисертаційній роботі раціональні режими гальмування стрічково-колодковом гальмом бурової лебідки талевої системи при спуску бурильної колони та захист робочих поверхонь гальмівних шківів від корозії за результатами перевірки в промислових умовах рекомендовані до впровадження в Шебелинському ВБР БУ “Укрбургаз” ДК “Укргазвидобування”

Основні результати роботи впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр із напрямку 6.0902 “Інженерна механіка” спеціальності 6.0902217 “Обладнання нафтових і газових промислів”, а також передані підприємствам для реалізації на виробництві.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи виконано автором самостійно. У працях, опублікованих [1, 8] здобувачем, установлені й теоретично досліджені особливості процесу гальмування при спуску талевого блока; сформульовані обмеження, за яких працездатність талевої системи при гальмуванні під час спуску буде найвищою для певних режимів і параметрів гальмування [2, 7, 10]; аналітично досліджено закономірність зміни коефіцієнта динамічності талевого каната при спуску бурильної колони залежно від її довжини [2, 5]. Здобувачем також запропоновано методики визначення раціональних параметрів і режимів гальмування при спуску талевого блока, а також конструктивних параметрів гальмівного шківа з урахуванням його динамічної і теплової навантаженості [3, 4, 9, 11]; розроблено новий пристрій автоматичного контролю й керування режи-мами спуско-піднімального комплексу, застосування якого уможливлює дотримання раціональних параметрів і режимів гальмування талевої системи [1, 6].

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: міжнародному симпозіумі МДТУ ім. Баумана, “Наука и предпринимательство” (Калуга, 2000); сьомій та восьмій міжнародних науково-практичних конференціях УНГА “Нафта і газ України-2002 і 2004” (Київ, 2002, Судак 2004); міжнародній науково-технічній конференції “Поликомтриб-2005” (Гомель, 2005), розширеному засіданні кафедри нафтогазового обладнання Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (2007). Робота отримала позитивний відгук на розширеному засіданні нау-ково-технічного семінару кафедри технології машинобудування Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2007).

Публікації. Результати наукових досліджень викладені в 11 друкованих працях, з яких – 6 статей у фахових виданнях, 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях та одноосібна стаття.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел із 134 найменувань, 51 рисунків, 7 таблиць, 12 додатків на 46 сторінках. Загальний обсяг роботи 229 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано необхідність визначення й підтримування раціональних кінематичних параметрів спуску бурильного інструменту з урахуванням режимів гальмування.

Наведено: мета роботи, завдання та методи досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, а також перелік місць їх апробації.

У першому розділі розглянуто типові явища процесу СПО, зумовлені змінами радіуса навивання талевого каната та фрикційних властивостей гальмівної пари механічного гальма. Доведено необхідність визначення раціональних кінематичних параметрів спуску бурильної колони з урахуванням динамічної й теплової навантаженості основного гальма бурової лебідки, сформульовано задачі досліджень.

Розглянуто основні складові загальної витрати часу на проведення свердловини. Наведено статистичні дані щодо обсягу витрат часу СПО на свердловинах Надвірнянського, Долинського, Охтирського й Бориславського УБР, а також Стрийського й Шебелинського ВБР. Доведено, що процес спуску колони є не лише тривалим, але й надзвичайно напруженим із точки зору динамічних навантажень на елементи спуско-піднімального комплексу.

Другий розділ присвячено аналітичним дослідженням зміни навантаженості елементів талевої системи та стрічково-колодкового гальма при спуску бурильної колони. Розглянута структура циклу (рис. 1), кінематика і динаміка переміщення гакоблока з урахуванням системи сил, що діють на елементи спуско-піднімального комплексу (рис. 2).

Отримано рівняння для визначення сумарного часу на спуск колони бурильних труб при проведенні К рейсів:

, (1)

де l довжина однієї бурильної свічки; Vуст усталена швидкість гакоблока; аІ, аІІІ прискорення колони на етапі розгону та сповільнення на етапі гальмування.

Доведено, що керованими кінематичними параметрами процесу спуску є величини усталеної швидкості та сповільнення.

Для встановлення закономірностей зміни навантажень на елементи спуско-піднімального комплексу при спуску інструменту розглянуто тримасову динамічну модель (рис. 3 ) і визначено всі її складові: F(t) – зведена до талевого блока сила ведучої гілки талевого каната; m1 – зведена маса барабана й з’єднаних із ним обертальних частин лебідки та шинно-пневматичної муфти; m2 – зведена маса рухомих частин талевої системи й верхньої частини колони труб; m3 – зведена маса нижньої частини колони труб і обважненого низу; С12 – зведена жорсткість талевої системи; С23 – зведена жорсткість колони труб; Q – вага обважненого низу; R – сила опору рухові труб у свердловині; S1, S2, S3 – переміщення відповідних зведених мас.

Отримано аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів динамічності талевого каната (2) і бурильної колони залежно від її довжини:

, (2)

де

; ; (3)

; ; (4)

, (5)

V12, V23 – швидкості деформації пружних елементів C12 i C23 у момент підхоплювання. Прийнято V12=V23=(0-0,2)VУ, де VУ – усталена швидкість руху незавантаженого елеватора на заданій швидкості піднімання.

Побудовано графічну залежність із використанням формули (2) (рис. ), яка стала основою для розроблення стандарту підприємства ВАТ “Укрнафта”.

Розроблено математичну модель переміщення гакоблока при спуску колони бурильних труб з урахуванням узагальненого коефіцієнта динамічності КД. Доведено, що вигляд функції V(t) на етапі розгону залежить від величини цього коефіціента і в загальному складається з трьох періодів (рис. 5):

-

-

-

Визначено аналітичні залежності для кожного періоду та етапу циклу спуску, які характеризують їх тривалість і величину переміщення з урахуванням коефіцієнта динамічності. Отримано рівняння для визначення тривалості циклу при спуску колони на довжину однієї свічки.

У результаті аналітичних досліджень температурного режиму стрічково-колодкового гальма одержано математичну залежність об’ємної температури гальмівного шківа від кількості циклів спуску бурильної колони:

, (6)

де ТНС температура навколишнього середовища; Т зміна об’ємної температури гальмівного шківа; К – кількість свічок.

Вираз (6) дозволяє здійснювати прогнозування температурного режиму гальмівного шківа на будь-якій стадії спуску бурильної колони, а також визначення необхідного моменту вмикання допоміжного гальма. Для цього замість величини Тб достатньо підставити значення допустимої температури для матеріалу гальмівного шківа та з одержаного рівняння визначити К.

У третьому розділі розроблено програму експериментальних досліджень, із застосуванням отриманих аналітичних залежностей проведено вибір та обґрунтування параметрів і режимів спуску та гальмування, наведено опис об’єктів дослідження та комплексу вимірювальної апаратури, розроблено методику експериментальних досліджень та визначено особливості вимірювання контрольованих параметрів. Експериментальні дослідження навантаженості елементів талевої системи та стрічково-колодкового гальма проводили у два етапи: на лабораторній установці, яка є моделлю бурової установки Уралмаш 4Е (рис. .) з коефіцієнтом геометричної подібності г=0,1 і в промислових умовах на бурових установках Уралмаш 3Д і Уралмаш 4Е, які оснащені талевою системою 56.

Під час проведення лабораторних досліджень процесу спуску реєстрували такі параметри: навантаження на гаку, гальмівному важелі та в нерухомій гілці талевого каната, швидкість спуску й величину сповільнення, а також поверхневу температуру гальмівного шківа. Для її контролю використовували термоіндикаторні порошки, тип яких вибрано з використанням аналітичної залежності (6). Спуск вантажів різної ваги проводили за дво- і триперіодною формами тахограм, значення усталеної швидкості підтримували пригальмовуванням стрічково-колодковим гальмом. За результатами лабораторних досліджень обчислено величини коефіцієнтів динамічності залежно від навантаження на гаку (рис. 7).

З отриманих графіків випливає, що закономірність зміни КД при спуску

вантажів за трапецевидною формою тахограми ідентична стандартній. Лабораторні випробування показали, що при спуску вантажів за двоперіодною формою тахограми скорочення часу на його проведення відбувається фактично лише за рахунок зменшення тривалості періоду розгону, яка для вантажу 504,3 Н дорівнює 0,78 с, а для вантажу 1032,36 Н 0,36 с. Тобто тривалість періоду розгону із збільшенням навантаження на гаку у 2,05 раза зменшилася у 2,17 раза, при цьому тривалість етапу гальмування скоротилася з 1,21 с до 1,25 с, тобто в 1,03 раза.

При спуску вантажів за трапецевидною формою тахограми встановлено, що із зростанням швидкості усталеного руху гакоблока збільшується тривалість режиму гальмування. При цьому тривалість етапу усталеного руху скорочується. Так, при навантаженні на гаку 504,3 Н етап розгону тривав 0,46 с, етап усталеного руху 1,47 с, етап гальмування 0,26 с. При навантаженні на гаку 1297,24 Н тривалість зазначених етапів відповідно становить: Іо 0,25 с; ІІ 0,85 с; ІІІ 0,95 с. Тривалість циклу спуску при максимальному навантаженні на гаку зменшилася на 0,14 с. Режим гальмування при цьому є більш спокійним. Температура гальмівного шківа залежно від ваги вантажів, а також режимів спуску й гальмування змінювалася від 45оС до 95оС.

Експериментальні дослідження в промислових умовах проводили на бурових Охтирського, Івано-Франківського й Надвірнянського УБР ВАТ “Укрнафта”. При цьому контролювали такі параметри: довжину й вагу бурильної колони; навантаження на гакоблоці, гальмівному важелі, у нерухомій гілці талевого каната, а також збігаючої та набігаючої гілок гальмівної стрічки; частоту обертання піднімального вала лебідки й поверхневу температуру фрикційної пари стрічково-колодкового гальма. За результатами промислових досліджень процесу спуску на буровій 0452 Охтирського УБР побудовано графіки зміни коефіцієнта динамічності залежно від довжини бурильної колони (рис. 8). Відхилення дійсних значень КД від розрахункових не перевищує 3,5%, що вказує на достовірність рівняння (2).

Порівняння тахограм, записаних для різних режимів гальмування, показало, що при різкому замиканні стрічково-колодкового гальма значно зростають динамічні складові навантажень на елементи талевої системи. Так, для нерухомої гілки каната КД при різкому гальмуванні збільшився в 1,29 раза, для гакоблока в 1,38 (для колони довжиною 130 м) і в 1,27 та 1,22 раза, відповідно для бу-риль-ної колони довжиною 923 м. Тобто із збільшенням довжини бурильної колони різниця динамічних навантажень між елементами талевої системи зменшується. Відмічено, що недолік режиму пригальмовування полягає в тому, що динамічні збудження в елементах спуско-піднімального комплексу тривають майже вдвічі довше (понад 8 с): від моменту прикладання збурюючої сили (замикання гальма), в інтервалах між цими моментами та певного проміжку часу після припинен-ня її дії. Окрім того, використання пригальмовувань збільшує тривалість цик-лу спуску в середньому в 1,16 раза. При порівнянні тривалостей пе-ріоду розгону бурильної колони, що спускається за різними формами тахограм, установлено, що період розгону у трикутній діаграмі в 4,9 разів триваліший, ніж у трапецевидній, при цьому максимальні швидкості спуску різняться несуттєво.

На рис. 9 подано результати промислових досліджень процесу спуску на різних свердловинах, з яких випливає, що найменш напруженим із точки зору теплової навантаженості стрічково-колодкового гальма є спуск колони довжиною L=2901 м. Найраціональніший режим спуску бурильної колони був на свердловині №35-Лопуще (рис. 9 в), при цьому середня механічна швидкість спуску становила 1,615 м/с, що в 1,035 раза перевищує цей показник для свердловини №6-Монастирчани (рис. 9 б) і в 1,321 раза для свердловини 0452. Незважаючи на найбільшу довжину бурильної колони порівняно з довжинами перших двох свердловин (рис. 9 а, б), температурний режим гальма на цій буровій є в межах допустимого (максимальна поверхнева температура гальмівного шківа не перевищувала допустимої для матеріалу фрикційної накладки).

Аналіз взаємовпливу кінематичних параметрів процесу спуску, рівня динамічної навантаженості елементів спуско-піднімального комплексу та температурного режиму фрикційних пар стрічково-колодкового гальма на різних свердловинах із застосуванням отриманих вище аналітичних залежностей дозволив установити раціональні параметри швидкості, сповільнення та шляху гальмування: Vуст2,3 м/с; аІІІ1,1 м/с2; хІІІ2,4 м. Доведено, що сповільнення понад 1,1 м/с2 не призводить до суттєвого скорочення часу спуску колони, а неперевищення цього параметра зумовлює появу найменших динамічних навантажень на елементи талевої системи. Обчислення, проведені з використанням залежностей (1) і (6), показали, що дотримання раціональних режимів спуску забезпечує не лише економію часу, яка на циклі досягає 4 с при довжині бурильної свічки l=24 м, але й гарантує неперевищення елементами спуско-піднімального комплексу регламентованих рівнів динамічної й теплової навантаженості.

Проаналізовано стан робочої поверхні 36 шківів. Установлено, що при температурах навколишнього середовища нижче -5 оС кількість зароджуваних на поверхні шківа тріщин зростає в 3–7 разів, перші одиничні тріщини на робочій поверхні шківа зароджуються в середній частині після проведення приблизно 150 СПО. Доведено необхідність обмеження температур поверхонь тертя фрикційної пари гальма при спуску інструменту та їх антикорозійного захисту в період простою обладнання.

У четвертому розділі розглянуто методи та засоби покращення працездатності спуско-піднімального комплексу бурової установки при спуску бурильної колони. Можливість покращення режимів руху гакоблока розглянуто з точки зору мінімізації загальних витрат на проведення свердловини

, (7)

за обмежень аІаІгр;

аІІІаІІІгр;

VустVустгр;

х=l, (8)

де аІгр, аІІІгр, Vустгр – гранично допустимі значення відповідних параметрів руху гакоблока при спуску колони бурильних труб.

Подано розв’язок екстремальної задачі методом множників Лагранжа.

Оптимізаційна задача для покращення роботи стрічково-колодкового гальма має такий вигляд:

(9)

за обмежень

аІІІаІІІгр;

VустVустгр. (10)

Для її розв’язання складено функцію Лагранжа з урахуванням відповідних умов Куна-Такера.

Розроблено комплекс пристроїв автоматичного контролю й керування режимами та параметрами талевої системи, програмування якого проведено з урахуванням розв’язків рівнянь (7) і (9) і впровадження якого дозволяє автоматично підтримувати раціональні параметри спуску інструменту з гарантованим попередженням аварійних ситуацій на буровій установці.

З урахуванням динамічної та теплової навантаженості стрічково-колодкового гальма визначено раціональні конструктивні параметри гальмів-ного шківа, який у 1,27 раза має меншу металомісткість порівняно із серійним. При цьому за критерій прийнято мінімальну вартість виробу, яка має дві складові: витрати, пов’язані з виготовленням, і витрати, спричинені непередбачуваною відмовою шківа внаслідок дії високих температурних напружень:

В=с1h2(nD-lh)+c2[ h2(nD-lh)]-1 min, (11)

де с1, с2 сталі, які враховують відповідні вартісні коефіцієнти; п, l параметричні сталі; D, h відповідно діаметр робочої поверхні та товщина ободу гальмівного шківа.

Запропоновано схему нанесення антикорозійного захисту на робочу поверхню гальмівного шківа на період тривалого простою обладнання, яка не потребує розконсервації та сприяє підвищенню довговічності гальмівних шківів до 25%.

Розроблено схему зворотного перепуску нерухомої гілки талевого каната, впровадження якої скорочує витрати часу на цю операцію з 4–6 до 1 години.

Аналітично проаналізовано рух ведучої гілки каната й талевого блока при автоматичному регулюванні процесу спуску. Із застосуванням принципу Даламбера складено рівняння руху талевого блока й отримано його розв’язок для різних режимів гальмування з урахуванням інерційності стрічково-колодкового гальма та його сумісної роботи з допоміжним гальмом.

Результати дисертаційної роботи покладені в основу стандарту підприємства ВАТ “Укрнафта” СТП 320.001.35390.044-2000 “Визначення коефіцієнтів динамічності для талевих систем і бурильних колон”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації подано теоретичне узагальнення й нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в проведені теоретичних і експериментальних досліджень режимів роботи спуско-піднімального комплексу бурової установки в процесі спуску інструменту, розроблено засоби та методи для підтримування раціональних кінематичних параметрів спуску бурильної колони.

1. У результаті теоретичних досліджень кінематики та динаміки переміщення гакоблока з урахуванням режимів гальмування стрічково-колодковим гальмом розроблено динамічну модель спуско-піднімального комплексу та отримано аналітичні залежності, які дозволяють визначити: повний час циклу спуску й тривалість окремих його етапів, а також сумарний час операції спуску колони залежно від кількості рейсів; значення коефіцієнтів динамічності елементів талевої системи при спуску бурильної колони залежно від її довжини.

2. Досліджена математична модель переміщення гакоблока з урахуванням коефіцієнта динамічності дозволила встановити, що форма кривої тахограми спуску V(t) на етапі розгону залежить від інтервалу зміни коефіцієнта динамічності. Отримано аналітичні залежності для визначення часу та переміщення гакоблока на кожному з етапів спуску, які покладено в основу визначенні його раціональних кінематичних параметрів.

3. Проведені аналітичні дослідження температурного режиму фрикційної пари стрічково-колодкового гальма дали можливість отримати рівняння для визначення об’ємної температури його робочих елементів при спуску бурильної колони залежно від її довжини (ваги). Використання зазначених аналітичних залежностей дозволить визначити необхідний момент вмикання допоміжного гідродинамічного гальма за умови обмеження стрічково-колодковим гальмом регламентованого рівня теплової навантаженості.

4. Лабораторні дослідження процесу спуску вантажів різної ваги показали, що скорочення часу на проведення спуску за двоперіодною формою тахограми відбувається фактично лише за рахунок зменшення тривалості періоду розгону, яка із збільшенням навантаження на гаку у 2,05 раза зменшилася у 2,17 раза, при цьому тривалість етапу гальмування зменшилася в 1,03 раза. Закономірність зміни коефіцієнта динамічності при спуску вантажів різної ваги за трапецевидною формою тахограми відповідає теоретичним розрахункам.

Результати експериментальних досліджень процесу спуску в промислових умовах із достатньою точністю підтвердили адекватність теоретичним положенням: відхилення фактичних значень коефіцієнта динамічності для талевого каната від теоретичних не перевищує 3,5%. Установлено, що пригальмовування стрічково-колодковим гальмом при спуску колони сприяє зниженню коефіцієнта динамічності, що, у свою чергу, призводить до збільшення тривалості дії динамічних збуджень.

5. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень процесу спуску інструменту визначено його раціональні кінематичні параметри з урахуванням допустимого рівня теплової навантаженості стрічково-колодкового гальма: швидкість усталеного руху колони Vуст2,3 м/с; величина сповільнення аІІІ1,1 м/с2; шлях гальмування хІІІ2,4 м. Дотримання зазначених режимів спуску забезпечить не лише економію часу, яка на циклі досягає 4,0 с при довжині бурильної свічки l=24,0 м, але й гарантує неперевищування елементами спуско-піднімального комплексу регламентованих рівнів динамічної й теплової навантаженості.

6. Уперше розроблено метод визначення раціональних геометричних параметрів гальмівного шківа з урахуванням його динамічної й теплової навантаженості. Розрахунки показали, що металомісткість шківа раціональних геометричних розмірів в 1,27 раза менша, ніж серійного.

7. Запропоновано: комплекс пристроїв для автоматичного контролю режимів спуску та підтримування раціональних кінематичних параметрів із гарантованим виключенням аварійних ситуацій на буровій установці; спосіб нанесення антикорозійної речовини на робочу поверхню гальмівного шківа в разі тривалих простоїв обладнання, який не потребує розконсервації та збільшує його довговічність до 25%; схема обмеженого зворотного перепуску талевого каната, використання якої зменшує тривалість операції з 4–6 до 1 години.

8. Уперше аналітично досліджено рух талевого блока при автоматичному режимі гальмування з урахуванням інерційності стрічково-колодкового гальма, а також його сумісної роботи з допоміжним гідродинамічним гальмом лебідки. Результати досліджень використовуються для програмування комплексу пристроїв автоматичного контролю режимів спуску й підтримування його раціональних кінематичних параметрів.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Малик В.Я. Динамічний аналіз процесів гальмування в талевій системі бурової установки. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.05 піднімально-транспортні машини. Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. Тернопіль, 2007.

Розглянуто шляхи підтримування раціональних кінематичних параметрів спуску бурильної колони з урахуванням динамічної і теплової навантаженості стрічково-колодкового гальма. На лабораторній буровій установці проведено дослідження закономірності зміни кінематичних параметрів спуску вантажів за різною формою тахограми, виявлено шляхи скорочення тривалості циклу. За результатами теоретичних і промислових експериментальних досліджень установлено значення раціональних параметрів спуску з урахуванням режимів гальмування стрічково-колодковим гальмом, а також його сумісної роботи з допоміжним гальмом бурової лебідки. Запропоновано методику визначення раціональних основних геометричних параметрів гальмівних шківів, у якій враховано рівні динамічної і теплової навантаженості стрічково-колодкового гальма.

Розроблено: комплекс пристроїв для автоматичного контролю режимів спуску й підтримування його раціональних кінематичних параметрів; спосіб антикорозійного захисту робочих поверхонь гальмівних шківів і схема зворотного обмеженого перепуску талевого каната.

Ключові слова: кінематика і динаміка руху бурильної колони, коефіцієнт динамічності, талева система, стрічково-колодкове гальмо, режими гальмування.

АННОТАЦИЯ

Малык В.Я. Динамический анализ процессов торможения в талевой системе буровой установки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 подъемно-транспортные машины. Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. Тернополь, 2007.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложений.

В первом разделе проанализированы режимы работы спуско-подъемного комплекса буровой установки при спуске колонны бурильных труб. Исследованы составляющие общих затрат времени на проводку скважины, отмечено, что наиболее напряженными и длительными являются СПО. Исследованы различные пути поддержания рациональных параметров спуска, доказана их низкая эффективность.

Второй раздел посвящен аналитическим исследованиям кинематики и динамики движения спускаемой бурильной колонны, а также процессов, имеющих место в элементах спуско-подъемного комплекса. Получены математические выражения для определения полного времени цикла спуска, а также его отдельных этапов. С привлечением динамической модели спуско-подъемного комплекса разработана методика определения закономерностей изменения коэффициента динамичности талевого каната и бурильной колонны в зависимости от ее длины, которая явилась основой стандарта предприятия ОАТ “Укрнефть”. Рассмотрена математическая модель кинематики движения крюкоблока с учетом коэффициента динамичности, получена аналитическая зависимость для определения полного времени спуска бурильного инструмента в зависимости от количества рейсов. Исследован температурный режим рабочих деталей ленточно-колодочного тормоза, получено аналитическое выражение для определения их объемной температуры. С использованием данной зависимости можно установить необходимый момент включения вспомогательного тормоза буровой лебедки из условия непревышения ленточно-колодочным тормозом регламентируемого уровня тепловой нагруженности.

В третьем разделе сформулированы задачи экспериментальных исследований, приведено подробное описание объектов исследований, методики и комплекса измерительной аппаратуры. Протекание динамических процессов в элементах спуско-подъемного комплекса исследовалось на лабораторной буровой установке с коэффициентом геометрического подобия г=0,1 и в промысловых условиях на буровых установках Уралмаш 3Д и Уралмаш 4Э. Результаты проведенных экспериментов подтвердили основные выводы и положения предшествующих им аналитических исследований. Итогом проведенных экспериментальных исследований явилось установление значений рациональных кинематических параметров процесса спуска бурильного инструмента: скорости установившегося движения колонны, ее замедления и тормозного пути.

Четвертый раздел посвящен разработке методов и средств для улучшения режимов работы спуско-подъемного комплекса буровой установки при спуске бурильного инструмента. Рассмотрен комплекс устройств для автоматического контроля режимов спуска и поддержания его рациональных кинематических параметров с учетом динамической и тепловой нагруженности ленточно-колодочного тормоза. Разработаны: методика определения рациональных параметров тормозного шкива, способ нанесения антикоррозионных покрытий на его рабочую поверхность и схема обратного частичного перепуска талевого каната.

Ключевые слова: кинематика и динамика движения бурильной колонны, талевая система, коэффициент динамичности, ленточно-колодочный тормоз, режимы торможения.

THE SUMMARY

Malyk V.Y. “Dynamic analysis of braking processes in the tackel system of boring plant. – Manuscript.

Thesis on conferment of a candidate’s degree of technical sciences on a speciality 05.05.05 – Transport-lifted machines. – The Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University. – Ternopil, 2007.

The ways of maintaince of boring column lowering rational kinematic parameters in response to dynamic and heat load of a band-block brake have been examined. Investigations of regularity of lowering weights kinematic parameters change under the different form of tachogram have been carried out on laboratory boring plant and the ways of time cycle cutting have been defined. The lowering rational parameters values in view of conditions of braking by band-block brake and also its joint operation with a supplementary brake of a boring winch have been determined by results of theoretical and industrial experimental investigations. The methods of definition of brake pulley rational geometrical parameters are proposed. In these methods different levels of dynamic and heat load of a band-block brake have been taken into consideration.

The complex of appliances for automatic control of lowering conditions and its rational kinematic parameters maintaince, the way of anticorrosive protection of brake pulleys working surfaces and schema of tackel-rope reverse limited by-pass have been designed.

Key words: kinematics and dynamic of boring column movement in the process, dynamic coefficient, tackel system, band-block brake, conditions of braking.

Підп. до друку 4.07.2007. Формат 60х84/16.

Папір офсетний. Гарнітура “Times New Roman”.

Ум. друк. арк. 0,9. Тираж 100. Зам. № 87. Віддруковано на різографі.

Видавничо-дизайнерський відділ ЦІТ

Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника

76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57.

Тел.: 59-60-50

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру

від 12.12.2006. Серія ДК 2718