Определение нагрузок, действующих на вышку

РАСЧЕТЫ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Расчет и конструирование бурового оборудования» для студентов специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» (МОП), «Монтаж и эксплуатация бурового оборудования» для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» (НБ) очной и заочной форм обучения

 

Тюмень 2007

Введение

 

В методическом пособии приведены расчеты бурового оборудования. В частности рассмотрены примеры расчета буровой вышки, бурильных труб, кронблока, бурового насоса, талевой системы в целом.

Для выполнения самостоятельного практического расчета представлены варианты заданий.

По завершению каждого расчета студент формулирует выводы о работоспособности оборудования, указывает возможные пути повышения прочности или снижении нагрузок на детали оборудования с конкретным указанием изменяемых значений исходных параметров и последующим перерасчетом.

Оформление расчета выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ, основные требования которого к выполнению текстовой части пояснительной записки изложены в методических указаниях [6].

Расчеты целесообразно выполнять с использованием программного пакета «Mathcad», который позволяет на этапе многократных изменений исходных параметров добиться требуемого значения характеризующего параметра. Для облегчения работы с данным пакетом все рассмотренные примеры расписаны с последовательным определением искомых параметров.

Определение нагрузок, действующих на вышку

На вышку действуют постоянные нагрузки от собственного веса и смонтированного на ней оборудования, эксплуатационные нагрузки, изменяющиеся по величине в процессе бурения и переменные нагрузки от ветра. В результате возникают вертикальные и горизонтальные усилия.

Вертикальные сжимающие нагрузки создаются от веса вышки и оборудования, нагрузкой на крюке, натяжением ведущей и неподвижной ветвей талевого каната.

Горизонтальные нагрузки, опрокидывающие вышку, являются горизонтальными составляющими от усилий ведущей и неподвижной ветвей талевого каната, от веса наклонно установленных свечей БК и от действия ветра.

 

Пример 1. Определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки ВМ-42-140 во время спуско-подъемных операций.

 

Глубина скважины 2500 м;

Диаметр бурильных труб, d_БТ = 127 мм;

Длина бурильных труб, l_БТ = 2300 м;

Средний вес 1 метра бурильных труб, q_БТ = 260 Н/м;

Диаметр утяжеленных бурильных труб, d_УБТ = 178 мм;

Длина утяжеленных бурильных труб, l_УБТ = 200 м;

Средний вес 1 метра утяжеленных бурильных труб, q_УБТ = 1560 Н/м;

Плотность стали, ρ_СТ = 7,85 г/см³;

Плотность бурового раствора, ρ_Р = 1,2 г/см³.

 

Решение

 

Буровая вышка – вертикальная металлическая конструкция в виде усеченной пирамиды. Вышки делят на мачтовые и башенные. Мачтовые собирают в горизонтальном положении и поднимают в собранном виде.

Вышка А-образного типа состоит из сварных ферм – колонн, соединенных между собой в верхней части подкронблочной рамой.

По таблице 1 определяем технические характеристики вышки ВМ-42-140:

Допускаемая нагрузка на крюке 1400 кН.

Высота h_в = 42 м.

Оснастка талевой системы 4Х5.

Масса комплектной вышки 19,3 т

 

Таблица 1 – Технические характеристики буровых вышек

Параметры	ВМ-40-100	ВМ-42-140	ВМ-42-160	ВМА-41-170	ВМА-45-200	ВМА-45-250	ВМА-45-320	ВБ-42-200	УВ-45-500А
Мачтовые	Башенные
Допускаемая нагрузка на крюке, кН		1400
Оснастка т/с	4Х5	4Х5	4Х5	5Х6	5Х6	6Х7	6Х7	5Х6	7Х8
Высота, м		42
Масса комплектной вышки, т	16,6	19,3	23,2	26,2	31,7	34,7	40,3	29,0	71,6

 

Вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки при движении крюка:

P_В = P_К + G_ТС + 2·P_К / (u_ТС · η_ТС ), (1)

 

где P_К – нагрузка на крюке, Н;

G_ТС – вес подвижной части талевой системы, Н;

u_ТС – число струн в оснастке (кратность полиспаста);

η_ТС – к.п.д. талевой системы

 

Статическая нагрузка на крюке при подъеме

P_К = (1 – ρ_Р / ρ_Т ) ∙ G_КВ + Р_ТР,

 

где ρ_Р и ρ_Т – относительная плотность бурового раствора и материала

труб, соответственно, г/см³;

G_КВ – вес бурильной колонны в воздухе, Н;

Р_ТР – сила трения и прихвата колонны, Н

 

Вес бурильной колонны в воздухе

G_КВ = G_БТ + G_УБТ = q_БТ · l_БТ + q_УБТ · l_УБТ = 260 · 2300 + 1560 · 200 = 910000Н

 

тогда

Р_К = (1- ρ_Р / ρ_Т ) ∙G_КВ + Р_ТР = (1 – 1,2 / 7,85) ·910000 + 0 = 770770 Н

 

Вес подвижной части талевой системы (крюк, талевый блок, канат. Весами элеватора и штропов пренебрегаем)

G_ТС = G_КБ + G_ТК,

 

где G_КБ = 12,7 кН – вес крюкоблока ТБК4-140Бр;

G_ТК – вес талевого каната в оснастке между крюкоблоком и

кронблоком, кН

Вес талевого каната в оснастке

G_ТК = l_ТК · q_ТК = (h_КБ/ТБ · u_ТС) · q_ТК

где l_ТК – длина талевого каната в оснастке между талевым блоком и

кронблоком, м;

h_КБ/ТБ = (h_в – 2) = 40 м – расстояние между крюкоблоком и кронблоком

в нижнем положении крюка;

q_ТК = 34 Н/м – вес талевого каната при d_К = 28 мм (таблица 2).

 

Таблица 2 – Характеристики талевых канатов

Диаметр каната dК, мм	Удельная масса, Н/м	Разрывное усилие каната (в кН), при σВ = 1764 МПа
Канаты типа ЛК-О 6Х1+9+9=114; 6Х1+6+9=96; ЛК-РО 6Х1+6+(6Х6)+12=186*
22,0
25,0	26,6*	460*
28,0	34,0*	576*
32,0	42,0*	719*
35,0	50,5*	863*
38,0	59,8*	1029*
41,3	66,0
44,5	82,0
* Для каната по ГОСТ 16853-79 с металлическим сердечником

 

Определяем кратность талевой системы при оснастке 4х5

u_ТС = (4 + 5) - 1 = 8

Тогда

G_ТК = (40 · 8) · 34 = 10880 Н

 

Вторая составляющая G_ТС основного уравнения (1):

G_ТС = 12700 + 2/3 · 10880 = 19953,3 Н

 

К.п.д. талевой системы

η_ТС = 1 – 0,02 · u_ТС = 1 – 0,02 · 8 = 0,84

 

Вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки при движении крюка

 

P_В = 770770 + 19953,3 + 2·770770 / (8 · 0,84) = 790723,3 + 1541540 / 6,72 =

= 1020119,13 Н = 1,02 МН

 

Для сравнения определим вертикальную нагрузку на подкронблочную раму вышки при неподвижном крюке

 

P_В = P_К + G_ТС + 2·P_К / u_ТС = 770770 + 19953,3 + 2 · 770770 / 8 = 0,983 МН

Вывод: Найденные нагрузки не превышают допускаемой нагрузки 1,4 МН для данного типа вышки (таблица 1).

Пример 2. Определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната, если точки касания струн и кронблока находятся на противоположных сторонах от точек крепления.

Расстояние между вертикальной осью вышки и:

- точкой крепления неподвижной струны 3 м;

- точкой крепления ведущей струны 7 м;

Вышка ВМ-42-140, оснастка талевой системы 4Х5.

 

 

Решение

 

Горизонтальные составляющие сил, действующие на кронблок:

- при неподвижной талевой системе

где β и γ – углы между ведущей и неподвижной ветвями каната и

вертикальной осью вышки

 

Примечание: Если ветви каната закреплены противоположно друг другу, то в формуле между углами β и γ принимаем знак «минус», если с одной стороны вышки у лебедки, то «плюс».

- при подъеме бурильной колонны

 

Нормами установлено, что для вышки высотой 42 метра горизонтальное усилие на кронблок (горизонтальная составляющая) от натяжения ведущей и неподвижной ветвей каната при подъеме бурильной колонны должна быть менее, либо равна 15 кН.