Буровая установка: силовая и подъёмная системы

Кратко о главном

Нагрузку $W$ — вес колонны на крюке плюс вес подвижного оборудования — несут $n$ рабочих струн каната. Без трения в шкивах каждая несла бы $W/n$ ; с трением ходовой конец, который тянет барабан лебёдки, при подъёме натянут сильнее: $F_{\text{х}} = W/(\eta n)$ .
КПД оснастки $\eta$ падает с числом струн: по расчётному коэффициенту API RP 9B для шкивов на подшипниках качения — 0,874 при 6 струнах, 0,811 при 10, 0,755 при 14. Каждая новая пара струн снижает натяжение ходового конца всё меньше.
Вышка несёт не только $W$ , но и оба конца каната: $F_{\text{в}} = W + F_{\text{х}} + F_{\text{н}}$ , при 10 струнах — на 22 % больше нагрузки на крюке. Поэтому допустимую нагрузку на крюк указывают вместе с числом струн оснастки.
Канат проверяют по коэффициенту запаса — отношению разрывного усилия к натяжению ходового конца: по API RP 9B не меньше 3 в обычной работе и не меньше 2 при спуске обсадных колонн и расхаживании прихваченной колонны.
Мощность на барабане лебёдки $N_{\text{б}} = Wv/\eta$ : при той же мощности тяжёлую колонну лебёдка поднимает медленнее. При бурении больше всего мощности постоянно берут насосы, при подъёме колонны — лебёдка.
Канат изнашивается неравномерно, в нескольких критических местах. Его работу считают в тонно-километрах (по API — в тонно-милях) и по программе периодически перепускают через систему и отрезают изношенный конец.

Ключевые соотношения

\eta = \dfrac{K^n - 1}{K^n\,n\,(K - 1)}

КПД оснастки: $K$ = 1,04 для шкивов на подшипниках качения, 1,09 — на подшипниках скольжения

F_{\text{х}} = \dfrac{W}{\eta\,n}, \qquad F_{\text{н}} = \dfrac{W}{n}, \qquad F_{\text{в}} = W + F_{\text{х}} + F_{\text{н}}

натяжение ходового и неподвижного концов и нагрузка на вышку

k_{\text{з}} = \dfrac{R}{F_{\text{х}}}, \qquad N_{\text{б}} = F_{\text{х}}\,v_{\text{х}} = \dfrac{W v}{\eta}

коэффициент запаса каната и мощность на барабане лебёдки

T_{\text{р}} = \dfrac{D\,(L_{\text{св}} + D)\,w + 4D\,(W_{\text{п}} + C/2)}{9807}

работа каната за полный рейс, т·км ( $D$ , $L_{\text{св}}$ — м; $w$ — кН/м; $W_{\text{п}}$ , $C$ — кН)

Где чаще всего ошибаются

Делить нагрузку на число струн без КПД: при 6–14 струнах натяжение ходового конца получится заниженным на 13–25 %, а запас каната — завышенным.
Считать нагрузку на вышку равной нагрузке на крюке: оба конца каната тоже тянут вышку вниз.
Забывать о подвижном оборудовании: талевый блок с крюком и верхним приводом весят десятки тонн и входят в нагрузку на струны.
Сравнивать с грузоподъёмностью установки только вес колонны: в расчёт входят подвижное оборудование и натяжка при прихвате.
Решать, перепускать ли канат, только по его виду: износ сосредоточен в нескольких точках, и работу каната нужно считать.

После урока вы сможете

назвать элементы силовой и подъёмной систем и объяснить, как энергия двигателей доходит до крюка;
сравнить механический и дизель-электрический привод (постоянного и переменного тока) и питание от сети, оценить потребную мощность и расход топлива буровой;
рассчитать КПД оснастки, натяжение ходового и неподвижного концов талевого каната и его коэффициент запаса прочности;
найти мощность лебёдки и скорость подъёма колонны, нагрузку на вышку и выбрать класс установки по допускаемой нагрузке на крюке;
оценить работу талевого каната в тонно-километрах за рейс, при бурении, спуске обсадной колонны и коротком рейсе и объяснить, зачем канат перепускают и отрезают.

Силовая система: откуда буровая берёт энергию

Буровые часто работают далеко от линий электропередачи, поэтому энергию вырабатывают сами: дизельные двигатели (prime movers) вращают генераторы или напрямую механизмы. Если линия электропередачи рядом, электрическую установку можно питать от сети. Энергия расходуется на четыре группы потребителей: буровую лебёдку, буровые насосы, верхний привод или ротор и вспомогательное оборудование — очистку раствора, перемешиватели, компрессоры, освещение, обогрев и жилой городок. Общая схема буровой установки — в уроке о процессе бурения.

Способ передачи энергии от двигателей к машинам называют приводом. У старых установок он был механическим: каждый дизель через цепные или ремённые передачи, муфты и гидротрансформаторы вращал «свою» машину. Затем появились дизель-электрические установки: двигатели вращают генераторы, а машины приводят электродвигатели. С 1970-х годов распространились установки, где все генераторы работают на общую сеть переменного тока, а тиристорные выпрямители питают двигатели постоянного тока (silicon controlled rectifier, SCR). Новейшее поколение — привод переменного тока: асинхронные двигатели с частотными преобразователями (variable frequency drive, VFD).

Типы привода буровой установки

Привод: Механический
Как устроен: дизели через цепные или ремённые передачи, муфты и гидротрансформаторы вращают лебёдку, насосы и ротор
Особенности: прост и автономен, но двигатели привязаны к своим машинам, мощность нельзя перебросить; хуже плавность

Привод: Дизель-электрический постоянного тока (тиристорный)
Как устроен: генераторы работают на общую сеть, тиристорные выпрямители питают двигатели постоянного тока
Особенности: любой генератор питает любого потребителя; число работающих генераторов — по нагрузке; плавное регулирование

Привод: Переменного тока с частотными преобразователями
Как устроен: асинхронные двигатели с регулируемой частотой вращения
Особенности: большой момент на малых оборотах и в покое, точное управление лебёдкой, торможение самими двигателями

Привод: От промышленной сети
Как устроен: электрическая установка питается от линии электропередачи
Особенности: нет расхода топлива и выхлопа на площадке; нужна линия поблизости

Привод	Как устроен	Особенности
Механический	дизели через цепные или ремённые передачи, муфты и гидротрансформаторы вращают лебёдку, насосы и ротор	прост и автономен, но двигатели привязаны к своим машинам, мощность нельзя перебросить; хуже плавность
Дизель-электрический постоянного тока (тиристорный)	генераторы работают на общую сеть, тиристорные выпрямители питают двигатели постоянного тока	любой генератор питает любого потребителя; число работающих генераторов — по нагрузке; плавное регулирование
Переменного тока с частотными преобразователями	асинхронные двигатели с регулируемой частотой вращения	большой момент на малых оборотах и в покое, точное управление лебёдкой, торможение самими двигателями
От промышленной сети	электрическая установка питается от линии электропередачи	нет расхода топлива и выхлопа на площадке; нужна линия поблизости

Переход к электрическому приводу дал две вещи: мощность любого генератора можно отдать любой машине, а момент и скорость лебёдки, насосов и ротора меняются постепенно — колонна и канат не получают толчков.

Мощность насосов, лебёдок и двигателей в паспортах часто указывают в английских лошадиных силах: 1 hp = 0,7457 кВт (метрическая лошадиная сила — 0,7355 кВт). Насосы — главный постоянный потребитель при бурении: они отдают раствору гидравлическую мощность $pQ$ (МПа × л/с = кВт), а берут с вала больше, на величину своего КПД (Циркуляционная и вращающая системы буровой). Лебёдка даёт короткие, но высокие пики при подъёме колонны. Одновременно на полную мощность лебёдка и насосы работают редко, поэтому число генераторов выбирают по наибольшему реальному сочетанию нагрузок и добавляют резервный: остановка циркуляции из-за отказа генератора опасна и для ствола, и для контроля скважины.

Потребная электрическая мощность и расход топлива

\begin{gathered} N_{\text{эл}} = \frac{1}{\eta_{\text{пр}}}\left(\frac{pQ}{\eta_{\text{м}}} + M\omega\right) + N_{\text{всп}},\\ G_{\text{т}} = g_{\text{т}}\,N_{\text{эл}}\,t \end{gathered}

где:

$N_{\text{эл}}$ электрическая мощность, которую должны выработать генераторы, кВт
$p,\ Q$ давление нагнетания и подача насосов, МПа, л/с
$\eta_{\text{м}}$ механический КПД насосов, —
$M,\ \omega$ крутящий момент и угловая скорость верхнего привода или ротора ( $\omega = 2\pi n_{\text{вр}}/60$ при частоте вращения $n_{\text{вр}}$ об/мин), кН·м, рад/с
$\eta_{\text{пр}}$ КПД электропривода — двигателей с преобразователями, —
$N_{\text{всп}}$ вспомогательные потребители, кВт
$G_{\text{т}},\ g_{\text{т}},\ t$ расход топлива, удельный расход генераторов и время работы, кг, кг/(кВт·ч), ч

Единицы: кВт, МПа × л/с = кВт, кН·м × рад/с = кВт

Справедливо, если

нагрузки постоянны в течение расчётного времени; на деле они меняются — наращивания, промывки, подъёмы, — и суточный расход считают по графику нагрузок;
удельный расход топлива зависит от загрузки генератора: у современных дизель-генераторов при нагрузке, близкой к номинальной, он около 0,2 кг/(кВт·ч), при малой нагрузке заметно больше.

Гидравлическая мощность насосов и мощность на валу верхнего привода делят на КПД, чтобы получить мощность на входе в машины, а затем на КПД привода — чтобы получить мощность, которую должны выработать генераторы.

Расчётный примерСколько электроэнергии и топлива нужно буровой при бурении

Исходные данные (условные)

Насосы: подача 28 л/с при давлении 20 МПа, механический КПД 0,90
Верхний привод: 18 кН·м при 120 об/мин
КПД электропривода: 0,93
Вспомогательные потребители: 300 кВт
Генераторы: 3 × 1000 кВт; удельный расход 0,22 кг/(кВт·ч), плотность топлива 0,84 кг/л
Лебёдка при подъёме колонны: до 1000 кВт на входном валу

Решение

Гидравлическая мощность насосов $pQ = 20\cdot 28 = 560$ кВт; на валу насосов $560/0{,}90 = 622{,}2$ кВт.
Верхний привод: $M\omega = 18\cdot 2\pi\cdot 120/60 = 226{,}2$ кВт.
Генераторы: $N_{\text{эл}} = (622{,}2 + 226{,}2)/0{,}93 + 300 = 1212$ кВт; насосам из них достаётся $622{,}2/0{,}93 = 669$ кВт — 55 %.
Работают два генератора, каждый загружен на 61 %; третий — резерв.
Топливо за сутки: $0{,}22\cdot 1212\cdot 24 = 6399$ кг, или $6399/0{,}84 = 7618$ л.
При подъёме колонны насосы стоят, а лебёдка в пике берёт 1000 кВт: $1000/0{,}93 + 300 = 1375$ кВт.

Ответ: При бурении буровая потребляет около 1212 кВт и сжигает около 7,6 м³ дизельного топлива в сутки; пик при подъёме колонны — около 1375 кВт.

Что это значит. Больше половины энергии при бурении уходит насосам, поэтому подача и давление — главные рычаги расхода топлива. Пик при подъёме выше нагрузки при бурении, но двух генераторов хватает и на него; третий нужен как резерв, чтобы отказ одного генератора не остановил циркуляцию. Реальный суточный расход меньше этой оценки: часть суток уходит на наращивания, промывки и подъёмы с другой нагрузкой. Данные примера условные.

Подъёмная система: лебёдка, талевая система и вышка

Подъёмная система — большой полиспаст. Буровая лебёдка (drawworks) — барабан, на который наматывается канат, с приводом и тормозами. Канат с барабана поднимается к кронблоку (crown block) — ряду неподвижных шкивов на вершине вышки, — опускается к талевому блоку (travelling block) с подвижными шкивами и так проходит между ними несколько раз. Под талевым блоком висят крюк и верхний привод, на штропах — элеватор, которым захватывают трубы. Конец каната, идущий на барабан, называют ходовым (fast line), другой конец закрепляют у основания вышки на механизме крепления неподвижного конца (dead line anchor). С запасного барабана рядом с вышкой канат подают в систему при перепуске.

СхемаТалевая система с оснасткой на 8 рабочих струн, развёрнутая в одну плоскость: неподвижный конец идёт от крепления с датчиком веса через неподвижный шкив кронблока, затем канат поочерёдно огибает шкивы талевого блока и кронблока и ходовым концом уходит на барабан лебёдки. Нагрузку

W

несут 8 струн; на вышку через кронблок передаются

W

F_{\text{х}}

F_{\text{н}}

. Схема не в масштабе.

Если канат проходит между блоками $n$ раз, талевый блок висит на $n$ рабочих струнах — это число называют кратностью оснастки. Чтобы поднять блок на 1 м, барабан должен намотать $n$ метров каната: скорость ходового конца в $n$ раз больше скорости блока. Зато сила, которую тянет лебёдка, в идеале в $n$ раз меньше нагрузки. Обычно оснащают от 6 до 12 струн, на тяжёлых установках — больше; оснастку меняют по ожидаемой нагрузке.

Элементы подъёмной системы

Элемент: Буровая лебёдка
Что делает: наматывает и разматывает ходовой конец; основной тормоз — ленточный или дисковый, вспомогательный (гидродинамический или электромагнитный) поглощает энергию при спуске тяжёлых колонн; в приводе переменного тока тормозят и сами двигатели

Элемент: Талевый канат
Что делает: стальной канат двойной свивки, обычно 6 прядей по 19–25 проволок вокруг металлического сердечника; несёт всю нагрузку

Элемент: Кронблок и талевый блок
Что делает: неподвижные и подвижные шкивы полиспаста; под талевым блоком — крюк, штропы и элеватор, верхний привод

Элемент: Механизм крепления неподвижного конца
Что делает: держит неподвижный конец каната; на нём стоит датчик натяжения индикатора веса

Элемент: Вышка или мачта с основанием
Что делает: несёт кронблок и всю нагрузку; на основании — буровая площадка, на вышке — полати верхового и магазин для свечей

Элемент	Что делает
Буровая лебёдка	наматывает и разматывает ходовой конец; основной тормоз — ленточный или дисковый, вспомогательный (гидродинамический или электромагнитный) поглощает энергию при спуске тяжёлых колонн; в приводе переменного тока тормозят и сами двигатели
Талевый канат	стальной канат двойной свивки, обычно 6 прядей по 19–25 проволок вокруг металлического сердечника; несёт всю нагрузку
Кронблок и талевый блок	неподвижные и подвижные шкивы полиспаста; под талевым блоком — крюк, штропы и элеватор, верхний привод
Механизм крепления неподвижного конца	держит неподвижный конец каната; на нём стоит датчик натяжения индикатора веса
Вышка или мачта с основанием	несёт кронблок и всю нагрузку; на основании — буровая площадка, на вышке — полати верхового и магазин для свечей

Башенную вышку собирают на месте по частям, а мачту поднимают целиком из горизонтального положения, поэтому её быстрее монтировать и легче перевозить.

Что на самом деле измеряет индикатор веса

Датчик стоит на неподвижном конце каната — гидравлический мембранный или электронный. Он измеряет натяжение одной струны, а прибор умножает его на число струн и показывает вес на крюке. В показание входит и подвижное оборудование, если его не вычли при настройке прибора. Поэтому при смене оснастки индикатор перенастраивают, а нагрузку на долото определяют по разнице показаний над забоем и на забое (вес колонны в растворе).

Натяжение каната и КПД оснастки

Если бы шкивы вращались без трения, натяжение всех струн было бы одинаковым — $W/n$ . На деле канат, огибая шкив, должен преодолеть трение в подшипнике и сопротивление собственному изгибу. Поэтому натяжение с той стороны шкива, куда канат тянут, больше: при подъёме оно растёт от струны к струне в сторону ходового конца, и ходовой конец натянут сильнее всех. Расчётный коэффициент API RP 9B для отношения натяжений на одном шкиве — $K = 1{,}04$ для шкивов на подшипниках качения и $1{,}09$ для подшипников скольжения; изготовитель может рекомендовать свой.

КПД оснастки талевой системы

\eta = \frac{W}{n\,F_{\text{х}}} = \frac{K^n - 1}{K^n\,n\,(K - 1)}

где:

$\eta$ КПД оснастки — отношение нагрузки к идеальной силе $nF_{\text{х}}$ , —
$W$ нагрузка на струны: вес колонны на крюке плюс вес подвижного оборудования, кН
$n$ число рабочих струн, —
$F_{\text{х}}$ натяжение ходового конца при подъёме, кН
$K$ отношение натяжений по обе стороны вращающегося шкива: 1,04 — подшипники качения, 1,09 — скольжения, —

Единицы: безразмерная

Справедливо, если

обычная оснастка буровой: неподвижный конец проходит через неподвижный шкив кронблока, и канат огибает столько вращающихся шкивов, сколько у оснастки струн; если на пути каната есть дополнительные вращающиеся шкивы, их общее число $S$ ставят в знаменатель вместо показателя: $K^S$ ;
блок движется вверх с постоянной скоростью; разгон, торможение и рывки добавляют динамические нагрузки, которых формула не учитывает;
$K$ — расчётная величина: она охватывает трение в подшипниках и потери на изгиб каната; изготовитель шкивов может указать своё значение.

Чем больше струн, тем больше шкивов на пути каната и тем ниже КПД: при 6 струнах теряется около 13 % идеального выигрыша в силе, при 14 — около 25 %.

Натяжение ходового и неподвижного концов

F_{\text{х}} = \frac{W}{\eta\,n}, \qquad F_{\text{н}} = \frac{W}{n}

где:

$F_{\text{х}}$ натяжение ходового конца — самой нагруженной струны при подъёме, кН
$F_{\text{н}}$ натяжение неподвижного конца, принятое равным статическому, кН
$W,\ n,\ \eta$ нагрузка на струны, число струн и КПД оснастки, кН, —, —

Единицы: любые единицы силы

Справедливо, если

неподвижный конец не движется, поэтому его натяжение берут статическим, $W/n$ ; при движении блока трение в шкивах делает его меньше при подъёме и больше при спуске (раздел для углублённого изучения) — для нагрузки на вышку при подъёме $W/n$ идёт в запас;
отношение $F_{\text{х}}/W = 1/(\eta n)$ называют коэффициентом ходового конца (fast line factor).

Натяжение ходового конца определяет запас прочности каната и силу, которую должна развивать лебёдка; натяжение неподвижного конца измеряет индикатор веса.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

F_{\text{х}}\,[\text{lbf}] = \frac{W\,[\text{lbf}]}{\eta\,n}

формула та же в любых единицах силы; 1 кН = 224,8 фунта силы, 1 тс = 9,807 кН.

КПД оснастки и нагрузки на канат и вышку при разном числе струн

Струн $n$: 6
$\eta$ (качения): 0,874
$F_{\text{х}}/W$: 0,1908
$F_{\text{в}}/W$: 1,357
$\eta$ (скольжения): 0,748

Струн $n$: 8
$\eta$ (качения): 0,842
$F_{\text{х}}/W$: 0,1485
$F_{\text{в}}/W$: 1,274
$\eta$ (скольжения): 0,692

Струн $n$: 10
$\eta$ (качения): 0,811
$F_{\text{х}}/W$: 0,1233
$F_{\text{в}}/W$: 1,223
$\eta$ (скольжения): 0,642

Струн $n$: 12
$\eta$ (качения): 0,782
$F_{\text{х}}/W$: 0,1066
$F_{\text{в}}/W$: 1,190
$\eta$ (скольжения): 0,597

Струн $n$: 14
$\eta$ (качения): 0,755
$F_{\text{х}}/W$: 0,0947
$F_{\text{в}}/W$: 1,166
$\eta$ (скольжения): 0,556

Струн $n$	$\eta$ (качения)	$F_{\text{х}}/W$	$F_{\text{в}}/W$	$\eta$ (скольжения)
6	0,874	0,1908	1,357	0,748
8	0,842	0,1485	1,274	0,692
10	0,811	0,1233	1,223	0,642
12	0,782	0,1066	1,190	0,597
14	0,755	0,0947	1,166	0,556

Расчёт по формуле КПД с $K$ = 1,04 (подшипники качения), $F_{\text{в}}/W = 1 + 1/(\eta n) + 1/n$ ; последний столбец — с $K$ = 1,09. Значения $\eta$ и $F_{\text{х}}/W$ совпадают с таблицами API RP 9B для обычной оснастки буровой с точностью до округления.

РасчётВыигрыш в силе

W/F_{\text{х}} = \eta n

в зависимости от числа струн: без трения он равен

n

, с трением растёт всё медленнее и стремится к пределу

1/(K-1)

— 25 для подшипников качения и около 11 для подшипников скольжения.

Канат проверяют по коэффициенту запаса — отношению номинального разрывного усилия каната к натяжению ходового конца. Чем он выше, тем дольше служит канат: малые запасы ускоряют износ и усталость проволок.

Коэффициент запаса прочности талевого каната

k_{\text{з}} = \frac{R}{F_{\text{х}}}

где:

$k_{\text{з}}$ коэффициент запаса (design factor), —
$R$ номинальное разрывное усилие каната по стандарту или сертификату, кН
$F_{\text{х}}$ натяжение ходового конца с учётом КПД оснастки, кН

Единицы: любые одинаковые единицы силы

Справедливо, если

наименьшие значения по API RP 9B: 3 — для талевого каната при бурении и спуско-подъёмах, 2 — при спуске обсадных колонн и при расхаживании прихваченной колонны и других редких операциях, 2,5 — для каната подъёма мачты;
у изношенного каната и при ударных нагрузках фактический запас меньше расчётного; работать вблизи минимума можно только с исправным канатом и оборудованием и без рывков.

Это проверка самого слабого звена — каната. Шкивы, крюк, штропы и вышку проверяют по их собственной допускаемой нагрузке.

Расчётный примерНатяжение ходового конца и запас каната для колонны 4800 м

Исходные данные (условные)

Колонна: вертикальная скважина 4800 м: вес на крюке над забоем 1463,1 кН, запас по натяжке 519,9 кН (расчёт колонны)
Подвижное оборудование: талевый блок с крюком, верхний привод, штропы и элеватор — 300 кН
Оснастка: 10 струн, шкивы на подшипниках качения ( $K$ = 1,04)
Канат: 35 мм (1⅜″), сталь EIPS, номинальное разрывное усилие 192 000 фунтов = 854 кН

Решение

КПД оснастки: $1{,}04^{10} = 1{,}4802$ , $\eta = \dfrac{1{,}4802 - 1}{1{,}4802\cdot 10\cdot 0{,}04} = 0{,}811$ .
Подъём над забоем: $W = 1463{,}1 + 300 = 1763{,}1$ кН; $F_{\text{х}} = 1763{,}1/(0{,}811\cdot 10) = 217{,}4$ кН, $F_{\text{н}} = 1763{,}1/10 = 176{,}3$ кН.
Запас каната: $k_{\text{з}} = 854/217{,}4 = 3{,}93$ .
Расхаживание с натяжкой на весь запас 519,9 кН: $W = 2283{,}0$ кН, $F_{\text{х}} = 2283{,}0/8{,}11 = 281{,}5$ кН, $k_{\text{з}} = 854/281{,}5 = 3{,}03$ .
Для сравнения, при 8 струнах ( $\eta = 0{,}842$ , $\eta n = 6{,}736$ ): $k_{\text{з}} = 854\cdot 6{,}736/1763{,}1 = 3{,}26$ и $854\cdot 6{,}736/2283{,}0 = 2{,}52$ .

Ответ: С оснасткой 10 струн ходовой конец натянут на 217,4 кН при подъёме над забоем и на 281,5 кН при наибольшей натяжке; запас каната 3,93 и 3,03 — выше наименьших 3 и 2.

Что это значит. С 8 струнами запас при обычном подъёме ещё больше 3, но при расхаживании опускается до 2,52: для редкой операции это допустимо, однако канат при таких запасах изнашивается быстрее. Если по скважине ожидаются тяжёлые операции — расхаживание прихваченной колонны, спуск длинных обсадных колонн, — оснастку заранее делают с большим числом струн. Канат проверяют по ходовому концу, а не по $W/n$ : без КПД натяжение при 10 струнах получилось бы на 19 % меньше. Данные примера условные; разрывное усилие — значение API RP 9B для каната этого размера.

Мощность лебёдки и скорость подъёма

Лебёдка тянет ходовой конец с силой $F_{\text{х}}$ и скоростью $v_{\text{х}} = nv$ , где $v$ — скорость талевого блока. Мощность на барабане — их произведение; на подъём груза идёт лишь её часть $Wv$ , остальное теряется в шкивах. Отсюда простое следствие: мощность лебёдки определяет не то, какой груз она поднимет, а то, как быстро. Наибольшую нагрузку ограничивают прочность вышки, блоков и каната, тормоза и наибольшее натяжение ходового конца, на которое рассчитаны барабан и передачи самой лебёдки.

Мощность на барабане лебёдки и скорость подъёма

\begin{gathered} N_{\text{б}} = F_{\text{х}}\,v_{\text{х}} = \frac{W v}{\eta}, \qquad v_{\text{х}} = n\,v,\\ N_{\text{вх}} = \frac{N_{\text{б}}}{\eta_{\text{л}}} \end{gathered}

где:

$N_{\text{б}}$ мощность на барабане лебёдки, кВт
$v,\ v_{\text{х}}$ скорость талевого блока и скорость ходового конца, м/с
$W,\ F_{\text{х}},\ \eta,\ n$ нагрузка на струны, натяжение ходового конца, КПД оснастки, число струн, кН, кН, —, —
$N_{\text{вх}},\ \eta_{\text{л}}$ мощность на входном валу лебёдки и КПД её передач, кВт, —

Единицы: кН × м/с = кВт

Справедливо, если

установившееся движение; на разгон колонны массой в сотни тонн нужна дополнительная мощность, поэтому разгоняют и тормозят плавно;
при спуске энергия течёт обратно: груз сам тянет канат, и мощность $Wv$ (за вычетом трения) поглощают тормоза или двигатели в режиме торможения.

При заданной мощности скорость подъёма обратно пропорциональна нагрузке: полную колонну поднимают медленно, облегчённую к концу подъёма — быстрее, пока не упрутся в наибольшую скорость лебёдки или в ограничение скорости подъёма из-за свабирования.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

N_{\text{б}}\,[\text{hp}] = \frac{F_{\text{х}}\,[\text{lbf}]\;v_{\text{х}}\,[\text{ft/min}]}{33\,000}

сила — фунты силы, скорость ходового конца — футы в минуту, мощность — английские лошадиные силы.

33 000 фут·фунт силы в минуту — определение английской лошадиной силы (745,7 Вт).

Расчётный примерС какой скоростью лебёдка поднимет колонну 4800 м

Исходные данные (условные)

Нагрузка на струны: 1763,1 кН (колонна над забоем и подвижное оборудование, пример выше)
Оснастка: 10 струн, $\eta$ = 0,811
Лебёдка: 1000 кВт на входном валу, КПД передач 0,90
Свеча: три трубы по 9,45 м — 28,35 м

Решение

Мощность на барабане: $N_{\text{б}} = 0{,}90\cdot 1000 = 900$ кВт.
Скорость талевого блока: $v = N_{\text{б}}\,\eta/W = 900\cdot 0{,}811/1763{,}1 = 0{,}414$ м/с; ходового конца — $10v = 4{,}14$ м/с.
Мощность на крюке: $Wv = 1763{,}1\cdot 0{,}414 = 730$ кВт; в шкивах теряется $900 - 730 = 170$ кВт.
Свеча поднимается за $28{,}35/0{,}414 = 68$ с.

Ответ: Полную колонну лебёдка поднимает со скоростью около 0,414 м/с — около 68 с на свечу без учёта времени на клинья и развинчивание.

Что это значит. Каждая поднятая свеча облегчает колонну, и та же мощность позволяет поднимать быстрее. В открытом стволе скорость подъёма обычно ограничивает не лебёдка, а свабирование (колебания давления при подъёме), а при разгоне и торможении — динамические нагрузки. ГОСТ 16293-89 требует, чтобы при расхаживании колонны крюк можно было поднимать со скоростью 0,1–0,25 м/с: малая скорость при большой силе нужна при натяжке. Данные примера условные.

Нагрузка на вышку и грузоподъёмность установки

Кронблок висит на вершине вышки, и через него вниз тянут все струны: $n$ рабочих струн несут нагрузку $W$ , а кроме них — ходовой конец, уходящий к лебёдке, и неподвижный конец, идущий к креплению. Обе эти силы тоже передаются на вышку (рисунок в начале урока).

Нагрузка на вышку

F_{\text{в}} = W + F_{\text{х}} + F_{\text{н}} = W\,\frac{1 + \eta + \eta\,n}{\eta\,n}

где:

$F_{\text{в}}$ нагрузка на вышку — вертикальная сила на кронблок, кН
$W,\ F_{\text{х}},\ F_{\text{н}}$ нагрузка на струны, натяжение ходового и неподвижного концов, кН
$\eta,\ n$ КПД оснастки и число струн, —

Единицы: любые одинаковые единицы силы

Справедливо, если

ходовой и неподвижный концы идут от кронблока вниз почти вертикально; наклон концов и ветер добавляют горизонтальные силы, которые учитывают при расчёте самой вышки;
неподвижный конец взят статическим ( $W/n$ );
нагрузка распределяется по ногам вышки неравномерно — раздел для углублённого изучения.

При 10 струнах вышка несёт на 22 % больше нагрузки на крюке, при 6 — на 36 %. Чем меньше струн, тем больше «лишняя» нагрузка от концов каната.

Грузоподъёмность установки складывается из прочности нескольких звеньев, и проверяют каждое. Вышку или мачту изготовитель рассчитывает и маркирует по наибольшей статической нагрузке на крюке при определённом числе струн — нагрузку от концов каната он уже учёл, — а также по ветру без свечей и со свечами в магазине (стандарт API Spec 4F). Талевый блок, крюк, штропы, элеваторы, вертлюги имеют свою номинальную грузоподъёмность (API Spec 8C, ISO 13535). Канат проверяют по коэффициенту запаса.

Для установок советской и российской постройки основной параметр — допускаемая нагрузка на крюке; по ГОСТ 16293-89 (введён в 1990 году) установки делят на 12 классов. Каждому классу соответствует условная глубина бурения — глубина, на которой бурильная колонна массой 30 кг на метр нагружает крюк наполовину допускаемой нагрузки. Так у установки остаётся запас на натяжку при прихвате, динамические нагрузки и более тяжёлые обсадные колонны. Стандарт допускает, чтобы вес бурильной колонны доходил до 0,6 допускаемой нагрузки; тогда расчётная глубина конкретной установки может отличаться от условной.

Классы буровых установок по ГОСТ 16293-89

Класс: 1
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 800 (82)
Условная глубина бурения, м: 1250

Класс: 2
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 1000 (102)
Условная глубина бурения, м: 1600

Класс: 3
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 1250 (127)
Условная глубина бурения, м: 2000

Класс: 4
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 1600 (163)
Условная глубина бурения, м: 2500

Класс: 5
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 2000 (204)
Условная глубина бурения, м: 3200

Класс: 6
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 2500 (255)
Условная глубина бурения, м: 4000

Класс: 7
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 3200 (326)
Условная глубина бурения, м: 5000

Класс: 8
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 4000 (408)
Условная глубина бурения, м: 6500

Класс: 9
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 5000 (510)
Условная глубина бурения, м: 8000

Класс: 10
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 6300 (642)
Условная глубина бурения, м: 10 000

Класс: 11
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 8000 (816)
Условная глубина бурения, м: 12 500

Класс: 12
Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс): 10 000 (1020)
Условная глубина бурения, м: 16 000

Класс	Допускаемая нагрузка на крюке, кН (тс)	Условная глубина бурения, м
1	800 (82)	1250
2	1000 (102)	1600
3	1250 (127)	2000
4	1600 (163)	2500
5	2000 (204)	3200
6	2500 (255)	4000
7	3200 (326)	5000
8	4000 (408)	6500
9	5000 (510)	8000
10	6300 (642)	10 000
11	8000 (816)	12 500
12	10 000 (1020)	16 000

В классах 3, 8, 9 и 11 стандарт допускает и установки с нагрузкой 1400, 4500, 5800 и 9000 кН. Тонны-силы в скобках пересчитаны (1 тс = 9,807 кН); в паспортах их часто округляют.

Расчётный примерНагрузка на вышку и класс установки для скважины 4800 м

Исходные данные (условные)

Нагрузка на струны: 1763,1 кН при подъёме над забоем, 2283,0 кН при натяжке на 519,9 кН (пример о запасе каната)
Натяжение концов при 10 струнах: ходовой — 217,4 и 281,5 кН, неподвижный — 176,3 и 228,3 кН
Масса колонны в воздухе: 181,5 т — по погонным массам и длинам секций из расчёта колонны

Решение

Нагрузка на вышку при подъёме над забоем: $F_{\text{в}} = 1763{,}1 + 217{,}4 + 176{,}3 = 2156{,}8$ кН — в 1,22 раза больше нагрузки на крюк.
При наибольшей натяжке: $F_{\text{в}} = 2283{,}0 + 281{,}5 + 228{,}3 = 2792{,}8$ кН.
Вес колонны в воздухе: $181{,}5\cdot 9{,}81 = 1781$ кН. Чтобы он не превышал 0,6 допускаемой нагрузки, нужна установка с нагрузкой не меньше $1781/0{,}6 = 2968$ кН — это 7-й класс (3200 кН); у 6-го класса (2500 кН) предел $0{,}6\cdot 2500 = 1500$ кН.
Проверка: наибольшая нагрузка на крюк с натяжкой — $2283{,}0/3200 = 71$ % допускаемой.

Ответ: Нужна установка 7-го класса (допускаемая нагрузка на крюке 3200 кН); при расхаживании колонны с полной натяжкой вышка нагружена на 2792,8 кН.

Что это значит. Условная глубина 7-го класса — 5000 м, больше нашей, но выбирать установку только по глубине нельзя: условная глубина отнесена к колонне 30 кг/м, а средняя масса нашей колонны — 37,8 кг/м из-за тяжёлых УБТ и труб с замками. Сравнение по весу в воздухе идёт в запас: в растворе колонна легче (1463,1 кН). Вышку при этом проверяют по паспорту для 10 струн. Тяжелее бурильной бывает обсадная колонна: колонна 244,5 мм весит в растворе 1,46 МН — почти как наша бурильная на 4800 м — уже на глубине 2600 м (вес колонны на крюке); её проверяют так же, но с наименьшим запасом каната 2. Данные примера условные.

Урок — не инструкция

Подъёмная система держит сотни тонн над головами людей. Нагрузку на крюк никогда не доводят до предела вышки, блоков, штропов и элеваторов по паспорту и маркировке; при расхаживании прихваченной колонны натяжку ограничивают и запасом по натяжке колонны, и грузоподъёмностью установки.
Индикатор веса должен быть исправен и поверен; ограничитель подъёма талевого блока не даёт затянуть блок в кронблок; тормоза лебёдки проверяют до работы. Во время натяжек и работы яссом людей выводят из опасной зоны.
Порядок работ, допустимые нагрузки, оснастку, осмотр и перепуск каната определяют паспорта оборудования, проект и программа работ, требования промышленной безопасности и утверждённые процедуры буровой; работы выполняет обученный персонал.

Талевый канат: запас, износ и учёт работы

Талевый канат — стальной канат двойной свивки: проволоки свиты в пряди, пряди — вокруг сердечника. Для буровых обычно берут 6 прядей по 19–25 проволок с металлическим сердечником (independent wire rope core, IWRC) из стали высокой прочности — IPS или EIPS (improved и extra improved plow steel). Размеры по API RP 9B: около 26–29 мм (1–1⅛″) для неглубоких скважин, 29–32 мм — для средних, 32–45 мм (1¼–1¾″) — для глубоких.

Канат изнашивается неравномерно. Сильнее всего — там, где он огибает шкивы кронблока и талевого блока в момент, когда трубы подхватывают с клиньев и нагрузка максимальна, и в точках перехода витков на барабане, где канат сминается соседними витками. Изгиб на шкивах вызывает усталость проволок, поэтому шкивы делают большими: для канатов 6 × 19 конструкции Сил (Seale) API RP 9B рекомендует диаметр шкива по дну канавки не меньше 51 диаметра каната там, где изгиб — главная причина износа, и не меньше 30, когда ради веса и транспортабельности оборудования жертвуют частью ресурса каната.

Чтобы износ распределился по длине, канат периодически перепускают (slip): ослабляют крепление неподвижного конца и протягивают через систему новый участок с запасного барабана, а изношенный уходит на барабан лебёдки. Длину перепуска выбирают так, чтобы участок из опасного места не попал в другое опасное место. Когда на барабане накопится лишний канат, его отрезают (cut): длину отрезки задают в витках барабана — с половиной или четвертью витка, чтобы точки перехода сместились, — и не берут кратной длине витка или расстоянию между опасными точками. Решение о перепуске и отрезке принимают по работе каната — сумме произведений нагрузки на пройденный путь.

Работа талевого каната за полный рейс

T_{\text{р}} = \frac{D\,(L_{\text{св}} + D)\,w + 4D\,(W_{\text{п}} + C/2)}{9807}

где:

$T_{\text{р}}$ работа каната за подъём и спуск колонны на глубину $D$ , т·км
$D$ глубина (длина колонны по стволу), м
$L_{\text{св}}$ длина свечи, м
$w$ вес метра бурильных труб в растворе, кН/м
$W_{\text{п}}$ вес подвижного оборудования: талевый блок, крюк, верхний привод, штропы, элеватор, кН
$C$ избыток веса УБТ и толстостенных труб в растворе над весом бурильных труб той же длины, кН

Единицы: кН·м, делённые на 9807 кН·м в 1 т·км (тонна-сила × километр)

Справедливо, если

бурильные трубы условно доходят до забоя, а тяжёлый низ учтён избытком веса $C$ ;
на каждую свечу подвижное оборудование проходит вверх и вниз по длине свечи при подъёме и столько же при спуске — всего $4D$ за рейс;
трение при спуске и подъёме одинаково; ускорения, вибрации, затяжки в наклонном стволе не учтены — это сравнительная мера износа, а не точная работа.

Первое слагаемое растёт как квадрат глубины: на большей глубине тяжелее колонна, и тянуть её дальше. Второе — линейно, и при тяжёлом верхнем приводе оно сравнимо с первым.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield), форма API RP 9B

T_{\text{р}}\,[\text{ton-mile}] = \frac{D\,(L_{\text{св}} + D)\,w}{10\,560\,000} + \frac{D\,(W_{\text{п}} + C/2)}{2\,640\,000}

$D$ , $L_{\text{св}}$ — футы; $w$ — фунты на фут в растворе; $W_{\text{п}}$ , $C$ — фунты; работа — тонно-мили (2000 фунтов × 1 миля).

$10\,560\,000 = 2000\cdot 5280$ — фунто-футов в тонно-миле; $2\,640\,000$ — его четверть, так что второе слагаемое — то же $4D(W_{\text{п}} + C/2)$ . 1 тонно-миля = 1,460 т·км = 14,32 МДж.

РасчётРабота каната за полный рейс в зависимости от глубины для колонны и буровой примера ниже. Штриховая кривая — слагаемое бурильных труб, оно растёт как квадрат глубины; промежуток до сплошной кривой — слагаемое подвижного оборудования и УБТ, оно растёт линейно. На глубине 4800 м слагаемые сравнимы: 646 и 731 т·км.

Работа каната при бурении, спуске обсадной колонны и коротком рейсе

\begin{gathered} T_{\text{б}} = 3\left[T_{\text{р}}(D_2) - T_{\text{р}}(D_1)\right],\\ T_{\text{кр}} = T_{\text{р}}(D_{\text{н}}) - T_{\text{р}}(D_{\text{в}}),\\ T_{\text{ок}} = \frac{D\,(L_{\text{т}} + D)\,w_{\text{ок}} + 4D\,W_{\text{п}}}{2\cdot 9807} \end{gathered}

где:

$T_{\text{б}}$ работа при бурении от глубины $D_1$ до $D_2$ , т·км
$T_{\text{кр}}$ работа за короткий рейс между нижней глубиной $D_{\text{н}}$ и верхней $D_{\text{в}}$ (например, до башмака колонны и обратно), т·км
$T_{\text{ок}}$ работа при спуске обсадной колонны на глубину $D$ , т·км
$L_{\text{т}},\ w_{\text{ок}}$ длина обсадной трубы и вес метра колонны в растворе, м, кН/м

Единицы: т·км; глубины и длины — м, веса — кН и кН/м

Справедливо, если

бурение: за цикл «пробурить на длину трубы или свечи, приподнять, проработать, приподнять для наращивания, нарастить, опустить» канат совершает работу, равную трём полным рейсам на прирост глубины; если не прорабатывать и не приподнимать колонну перед наращиванием — двум;
короткий рейс: на участке между двумя глубинами поднимают и спускают всю колонну — это ровно разность работ полных рейсов на этих глубинах;
обсадную колонну только спускают, поэтому работа — половина полного рейса; УБТ в ней нет.

Все операции выражены через работу полного рейса — так их удобно складывать в журнале работы каната.

Расчётный примерРабота каната за рейс долота и когда его перепускать

Исходные данные (условные)

Колонна: 4800 м: бурильные трубы 0,2733 кН/м в растворе (G-105; чуть более тяжёлые верхние трубы S-135 добавили бы меньше 0,1 % работы); УБТ 132,3 м по 1,101 кН/м; ТБТ 113,4 м по 0,6046 кН/м
Буровая: подвижное оборудование 300 кН, свечи 28,35 м
Рейс долота: долото бурит от 4500 до 4800 м, затем его поднимают для замены и спускают новое; при необходимости — короткий рейс до башмака на 3500 м
Программа перепуска (условно): перепуск по 7,5 м через каждые 500 т·км; на четвёртом перепуске, то есть каждые 2000 т·км, отрезают 30 м

Решение

Избыток веса низа колонны: $C = 132{,}3\cdot(1{,}101 - 0{,}2733) + 113{,}4\cdot(0{,}6046 - 0{,}2733) = 147{,}1$ кН.
Рейс на 4800 м, слагаемое труб: $4800\cdot 4828{,}35\cdot 0{,}2733 = 6\,334\,023$ кН·м; слагаемое подвижного оборудования и УБТ: $4\cdot 4800\cdot 373{,}55 = 7\,172\,160$ кН·м, где $373{,}55 = 300 + 147{,}1/2$ .
Работа рейса: $T_{\text{р}} = (6\,334\,023 + 7\,172\,160)/9807 = 1377{,}2$ т·км; одно подвижное оборудование даёт $4\cdot 4800\cdot 300/9807 = 587{,}3$ т·км — 43 %.
Так же рейс на 4500 м: $1253{,}5$ т·км; бурение от 4500 до 4800 м: $T_{\text{б}} = 3\,(1377{,}2 - 1253{,}5) = 371{,}1$ т·км.
Смена долота на 4800 м — ещё один полный рейс: всего за рейс долота $371{,}1 + 1377{,}2 = 1748{,}3$ т·км, или 1197 тонно-миль.
Короткий рейс до 3500 м ( $T_{\text{р}}$ = 877,4 т·км): $T_{\text{кр}} = 1377{,}2 - 877{,}4 = 499{,}8$ т·км.
Вместе $1748{,}3 + 499{,}8 = 2248{,}1$ т·км — больше 2000 т·км: за это время канат успеют перепустить 4 раза, и на четвёртом перепуске изношенный конец отрежут.

Ответ: Рейс долота на глубине 4500–4800 м даёт канату около 1748 т·км работы, а с коротким рейсом — около 2248 т·км: на такой глубине по программе примера канат отрезают примерно после каждого рейса долота.

Что это значит. Почти 43 % работы полного рейса даёт подвижное оборудование: тяжёлый верхний привод ходит вверх и вниз на каждую свечу. Работа растёт с глубиной быстрее, чем линейно, поэтому в глубоких интервалах канат перепускают чаще. Цель программы — работу между отрезками — выбирают по рекомендациям API RP 9B и изготовителя каната в зависимости от диаметра каната, высоты вышки, характера бурения и коэффициента запаса и уточняют по состоянию отрезанных концов; осмотр каната всегда важнее расчёта. Данные примера условные, включая программу перепуска.

Термины и обозначения

Буровая лебёдка: барабан с приводом и тормозами, наматывающий ходовой конец талевого каната.
Талевая система, оснастка: кронблок, талевый блок и талевый канат, пропущенный между их шкивами; число рабочих струн $n$ — кратность оснастки.
Ходовой и неподвижный концы: конец каната, идущий на барабан лебёдки ( $F_{\text{х}}$ ), и конец, закреплённый у основания вышки ( $F_{\text{н}}$ ), на котором стоит датчик индикатора веса.
КПД оснастки $\eta$: отношение нагрузки к идеальной силе $nF_{\text{х}}$ ; учитывает трение и изгиб каната в шкивах и падает с числом струн.
Нагрузка на вышку $F_{\text{в}}$: нагрузка на крюке плюс натяжение обоих концов каната.
Допускаемая нагрузка на крюке: наибольшая нагрузка на крюк, на которую рассчитана установка; по ней установки делят на классы (ГОСТ 16293-89); для вышки её указывают вместе с числом струн.
Коэффициент запаса каната $k_{\text{з}}$: отношение разрывного усилия каната к натяжению ходового конца; не меньше 3 при бурении и 2 при спуске колонн и расхаживании прихвата.
Работа каната, т·км: сумма произведений нагрузки на путь — мера износа каната; 1 тонно-миля = 1,46 т·км. По ней канат перепускают и отрезают.
Перепуск и отрезка каната: протягивание нового участка каната через систему и удаление изношенного конца с барабана по программе, рассчитанной по работе каната.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Натяжение каната — это нагрузка на крюке, делённая на число струн».

На самом деле

Так натянут только неподвижный конец в покое. Ходовой конец при подъёме натянут сильнее — на величину КПД оснастки: при 10 струнах на 23 % больше $W/n$ . Запас каната считают по нему.

Неверно

«Вышка несёт столько, сколько показывает индикатор веса».

На самом деле

Вышку тянут вниз ещё и оба конца каната: при 10 струнах её нагрузка на 22 % больше нагрузки на крюке, а одна из ног нагружена сильнее остальных.

Неверно

«Чем мощнее лебёдка, тем более тяжёлую колонну поднимет установка».

На самом деле

Мощность определяет скорость подъёма. Наибольший груз ограничивают вышка, блоки, крюк, элеваторы и канат — их допускаемые нагрузки, — а у самой лебёдки наибольшее натяжение ходового конца.

Неверно

«Чем больше струн, тем лучше».

На самом деле

Выигрыш в силе растёт всё медленнее, а блок движется медленнее, на барабан ложится больше каната. Число струн выбирают по самой тяжёлой ожидаемой операции.

Неверно

«Канат выглядит целым — перепускать его рано».

На самом деле

Износ сосредоточен в нескольких точках на шкивах и барабане и накапливается с работой каната; перепуск и отрезку делают по программе, а осмотр её дополняет — и при повреждениях отменяет.

Подробно: для продвинутых

Откуда формула КПД и что показывает индикатор веса в движении

Пронумеруем рабочие струны от неподвижного конца ( $i = 1$ ) к ходовому ( $i = n$ ). Между соседними струнами канат огибает вращающийся шкив, и при подъёме натяжение каждой следующей в $K$ раз больше предыдущей. Последний шкив кронблока отделяет струну $n$ от ходового конца. Значит, $T_i = F_{\text{х}}/K^{\,n-i+1}$ , и вся нагрузка $W = \sum T_i = F_{\text{х}}\left(K^{-1} + K^{-2} + \dots + K^{-n}\right)$ . Сумма геометрической прогрессии даёт $W = F_{\text{х}}\,(K^n - 1)/[K^n(K - 1)]$ , откуда и $\eta = W/(nF_{\text{х}})$ из основного раздела.

Неподвижный шкив кронблока не вращается, поэтому натяжение неподвижного конца равно натяжению первой струны. При подъёме она натянута слабее всех: $F_{\text{н}} = F_{\text{х}}/K^n < W/n$ . При спуске лебёдка не тянет, а сдерживает канат, трение меняет знак, и натяжение растёт уже от ходового конца к неподвижному: неподвижный конец натянут сильнее всех, $F_{\text{н}} > W/n$ . Индикатор веса, который умножает натяжение неподвижного конца на число струн, поэтому при подъёме занижает вес на крюке, а при спуске завышает.

Насколько велика эта разница на конкретной буровой, зависит от состояния шкивов и подшипников, а не только от расчётного коэффициента API. Её находят калибровкой — сравнивая показания при медленном подъёме и спуске одной и той же колонны, — а некоторые современные системы вводят поправку автоматически. Для анализа сопротивлений в стволе это важно: разницу весов при подъёме и спуске создаёт не только трение колонны о стенки, но отчасти и трение в шкивах.

Неравномерная нагрузка на ноги вышки

Нагрузка от рабочих струн $W$ проходит через центр кронблока и делится поровну между четырьмя ногами башенной вышки — по $W/4$ . Но концы каната крепятся несимметрично. Пусть неподвижный конец закреплён у ноги A, а лебёдка стоит между ногами C и D: тогда нога A дополнительно несёт $F_{\text{н}}$ , ноги C и D — по $F_{\text{х}}/2$ , нога B — ничего сверх $W/4$ . Так как $\eta > 0{,}5$ , $F_{\text{н}} = W/n$ больше $F_{\text{х}}/2 = W/(2\eta n)$ , и самой нагруженной оказывается нога A.

Эквивалентная нагрузка на вышку и её коэффициент использования

\begin{gathered} F_{\text{экв}} = 4\left(\frac{W}{4} + \frac{W}{n}\right) = W\,\frac{n + 4}{n},\\ E_{\text{в}} = \frac{F_{\text{в}}}{F_{\text{экв}}} = \frac{1 + \eta + \eta\,n}{\eta\,(n + 4)} \end{gathered}

где:

$F_{\text{экв}}$ эквивалентная нагрузка — какую нагрузку выдержала бы вышка, если бы все ноги были нагружены как самая нагруженная, кН
$E_{\text{в}}$ коэффициент использования вышки — отношение фактической нагрузки к эквивалентной, —
$W,\ n,\ \eta,\ F_{\text{в}}$ как в основном разделе, кН, —, —, кН

Единицы: любые одинаковые единицы силы

Справедливо, если

четырёхногая вышка, нагрузка от рабочих струн делится между ногами поровну;
неподвижный конец закреплён у одной ноги, лебёдка — посередине между двумя другими; при другой расстановке распределение иное, у мачт — своя схема.

Вышку, рассчитанную на равномерную нагрузку, нельзя загружать до полной суммы: при 10 струнах самая нагруженная нога несёт столько, как если бы вся вышка несла на 14 % больше фактического.

Расчётный примерНагрузки на ноги вышки при подъёме колонны 4800 м

Исходные данные (условные)

Нагрузка на струны: $W$ = 1763,1 кН, 10 струн
Натяжение концов: $F_{\text{х}}$ = 217,4 кН, $F_{\text{н}}$ = 176,3 кН; $F_{\text{в}}$ = 2156,8 кН

Решение

Доля каждой ноги от рабочих струн: $W/4 = 440{,}8$ кН.
Нога A (неподвижный конец): $440{,}8 + 176{,}3 = 617{,}1$ кН; ноги C и D (лебёдка): $440{,}8 + 217{,}4/2 = 549{,}5$ кН; нога B: 440,8 кН.
Эквивалентная нагрузка: $4\cdot 617{,}1 = 2468{,}4$ кН; коэффициент использования $2156{,}8/2468{,}4 = 0{,}874$ .

Ответ: Самая нагруженная нога несёт 617,1 кН — на 14 % больше средней; вышку нужно проверять на эквивалентную нагрузку 2468,4 кН.

Что это значит. Формула $W(n+4)/n$ даёт то же с точностью до округления: $1763{,}1\cdot 14/10 = 2468{,}3$ кН. Поэтому расстановку лебёдки и место крепления неподвижного конца предусматривает изготовитель вышки, а нагрузку указывают в паспорте для определённой оснастки. Данные примера условные.

Как получена формула работы за рейс

Работа каната — это нагрузка, умноженная на путь, на котором она действует. За рейс складываются три части. Подвижное оборудование весом $W_{\text{п}}$ на каждую свечу проходит вверх и вниз примерно по длине свечи — и при подъёме колонны, и при спуске: всего $4D$ за рейс, работа $4DW_{\text{п}}$ .

Бурильные трубы. При спуске колонна растёт от одной свечи до $D/L_{\text{св}}$ свечей, и в среднем канат несёт половину суммы начального и конечного веса, $\frac{1}{2}(wL_{\text{св}} + wD)$ , на пути $D$ . Подъём, если трение одинаково, требует той же работы, поэтому за рейс — $wD(L_{\text{св}} + D)$ . УБТ и ТБТ тяжелее труб на $C$ ; этот избыток проходит путь $D$ вниз и вверх — ещё $2CD$ . Сумма $D(L_{\text{св}} + D)w + 4DW_{\text{п}} + 2CD$ — числитель формулы урока; деление на 9807 переводит кН·м в т·км.

Формула — договорённая мера, а не точная работа: она нужна, чтобы сравнивать операции и вести учёт. Поэтому её применяют одинаково на всех буровых, а цель программы перепуска подбирают по опыту для конкретной установки, каната и условий бурения.

Связь с другими темами

Как бурят скважину: процесс и персонал — системы буровой установки и как они работают вместе.
Расчёт бурильной колонны — вес колонны в растворе, запас по натяжке и вес на крюке — исходные нагрузки подъёмной системы.
Устьевое оборудование и спуск обсадных колонн — вес обсадной колонны на крюке при спуске и посадке.
Циркуляционная и вращающая системы буровой — насосы, циркуляционная система, ротор и верхний привод — главные потребители мощности при бурении.
Потери давления при циркуляции — почему скорость спуска и подъёма ограничивают колебания давления.
Сроки и стоимость бурения — из чего складываются время и стоимость скважины.

Проверьте себя

1
Нагрузка на струны 1500 кН, оснастка 12 струн, шкивы на подшипниках качения ( $\eta$ = 0,782). Чему примерно равно натяжение ходового конца?
1. А.160 кН
2. Б.125 кН
3. В.1173 кН
4. Г.1918 кН
Показать ответ
Правильный ответ: А. 160 кН
$F_{\text{х}} = W/(\eta n) = 1500/(0{,}782\cdot 12) = 1500/9{,}384 \approx 160$ кН. 125 кН — это $W/n$ без учёта трения; так натянут неподвижный конец в покое, а ходовой при подъёме — на 28 % сильнее.
2
Почему грузоподъёмность вышки указывают вместе с числом струн оснастки?
1. А.Потому что от числа струн зависит вес талевого блока
2. Б.Потому что концы каната тоже нагружают вышку, и при меньшем числе струн их доля больше
3. В.Потому что при большем числе струн канат быстрее изнашивается
4. Г.Число струн нужно только для настройки индикатора веса
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Потому что концы каната тоже нагружают вышку, и при меньшем числе струн их доля больше
Нагрузка на вышку $F_{\text{в}} = W(1 + \eta + \eta n)/(\eta n)$ : при 6 струнах она на 36 % больше нагрузки на крюке, при 10 — на 22 %. Поэтому одна и та же вышка допускает на крюке тем меньший груз, чем меньше струн.
3
Колонна весит в растворе 1200 кН, подвижное оборудование — 250 кН, канат имеет разрывное усилие 700 кН, оснастка 10 струн ( $\eta$ = 0,811). Хватит ли запаса каната, чтобы расхаживать прихваченную колонну с натяжкой 400 кН?
Показать ответ
$W = 1200 + 250 + 400 = 1850$ кН; $F_{\text{х}} = 1850/8{,}11 \approx 228$ кН; $k_{\text{з}} = 700/228 \approx 3{,}07$ . Для расхаживания достаточно 2, так что канат не ограничивает. Но проверить нужно и колонну (запас по натяжке), и допускаемую нагрузку вышки и подвижного оборудования.
4
Лебёдка отдаёт на барабан 700 кВт. С какой скоростью она поднимет нагрузку 1400 кН при оснастке 8 струн ( $\eta$ = 0,842)?
Показать ответ
$v = N_{\text{б}}\eta/W = 700\cdot 0{,}842/1400 \approx 0{,}42$ м/с; ходовой конец идёт в 8 раз быстрее — около 3,4 м/с. Груз вдвое легче лебёдка подняла бы вдвое быстрее, если позволяет её наибольшая скорость.
5
Почему работа каната за полный рейс на глубине 4000 м больше чем вдвое превышает работу рейса на 2000 м?
Показать ответ
Слагаемое бурильных труб $D(L_{\text{св}} + D)w$ растёт почти как квадрат глубины: на вдвое большей глубине колонна вдвое тяжелее и её вдвое дальше тянуть. Линейно растёт только слагаемое подвижного оборудования и УБТ. Поэтому в глубоких интервалах канат перепускают и отрезают чаще.
6
Шкивы на подшипниках качения ( $K$ = 1,04) заменили шкивами на подшипниках скольжения ( $K$ = 1,09) при той же оснастке 10 струн. Как изменится натяжение ходового конца?
1. А.Вырастет вдвое
2. Б.Вырастет примерно на 26 %
3. В.Уменьшится, потому что канат меньше скользит
4. Г.Не изменится: нагрузку по-прежнему несут 10 струн
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Вырастет примерно на 26 %
КПД падает с 0,811 до 0,642, а натяжение ходового конца обратно пропорционально КПД: $0{,}811/0{,}642 \approx 1{,}26$ . Запас каната уменьшится в той же пропорции.

Обновлено: 17 октября 2026 г.