Utilaje Petroliere Curs

1

Simion Parepa

UTILAJE PETROLIERE

Editura Universităţii Petrol-Gaze din Ploieşti

2013

2

3

PREFAŢĂ

Utilajele petroliere sunt utilajele folosite în şantierele petrolifere

(„oilfields” în lb. en.), de foraj şi de extracţie, în cadrul diferitelor

instalaţii, cu ajutorul cărora se construieşte sonda de foraj, se exploatează

zăcămintele de petrol şi gaze, se efectuează operaţii de intervenţie şi

reparaţii capitale la sondele de extracţie, se separă fluidele aduse la

suprafaţă, se transportă şi se depozitează. De asemenea, aceste utilaje intră

în alcătuirea sondei de foraj şi de extracţie (sub forma materialului tubular,

a sculelor de adâncime, cu rol de fixare, etanşare etc., şi a echipamentului

de la gura sondei). Ele permit desfăşurarea tuturor operaţiilor: de foraj,

tubare a puţurilor forate, cimentare a coloanelor de burlane, completare a

sondei de foraj, pentru a forma sonda de extracţie, extracţia petrolului şi

gazelor, intervenţia la sondele de extracţie şi reparaţia lor în condiţii de

siguranţă deplină.

Se constată că există o mare diversitate de utilaje, pe care le

denumim „petroliere” şi care se caracterizează printr-o complexitate

constructivă şi funcţională diferită, de la complexitate redusă, cum sunt

anumite scule şi materialul tubular, la foarte complexe, cu grad mare de

mecanizare şi, chiar, automatizare.

Bineînţeles că această arie foarte largă de utilaje şi domeniul

corespunzător de probleme care le sunt asociate, din punct de vedere

constructiv, funcţional, al calculului de rezistenţă, de dimensionare şi

verificare, şi al exploatării, nu pot fi acoperite într-un număr restrâns de

pagini, corespunzător unui număr, la fel de redus, de ore, ce le sunt

afectate, în cadrul disciplinei „Utilaje petroliere”, destinate studenţilor de

la specializarea „Inginerie economică în domeniul mecanic” (IEDM),

domeniul de studii „Inginerie şi management”, forma de „învăţământ la

distanţă” (ID). De aceea, au fost tratate numai unele utilaje, care au fost

considerate „mai importante”. Totodată, având în vedere profilul

specializării, de „inginerie economică”, studiul acestor utilaje se referă

doar la aspectele constructive, funcţionale şi de exploatare, incluzând şi

calcule funcţionale, dar şi abordări privind solicitarea elementelor de

rezistenţă ale unor utilaje, defectarea şi avarierea lor şi fenomenele care le

produc. Pentru înţelegerea funcţiilor, construcţiei, funcţionării şi măsurilor

care trebuie luate pentru exploatarea utilajelor petroliere în condiţii de

funcţionare normală/ optimă şi de siguranţă, este nevoie de cunoaşterea

proceselor de lucru la care participă aceste utilaje, respectiv a tehnologiei

de construcţie a sondei şi de extracţie a petrolului şi gazelor. Din acest

motiv, lucrarea include un prim modul, intitulat „Elemente de inginerie

mecanică a construcţiei sondei”, care conţine subiecte referitoare la

construcţia sondei, echipamentul de la gura sondei, echipamentul de

adâncime şi procesul de foraj. Se face precizarea că nu există, în planul de

învăţământ destinat specializării IEDM, discipline care să acopere

problematica de proces/ tehnologie de foraj şi extracţie, aşa cum sunt

prevăzute, de exemplu, la specializarea „Utilaje petroliere şi

petrochimice”, domeniul de studii „Inginerie mecanică”.

4

Materialul cuprins în această lucrare este împărţit în trei module,

fiecare modul conţinând mai multe capitole iar capitolele respective fiind

divizate în subcapitole. La începutul modulului, se prezintă conţinutul lui,

obiectivele şi termenii-cheie corespunzători subiectelor abordate. De

asemenea, fiecare capitol, considerat ca unitate de învăţare, are în

componenţa sa, nu numai subcapitolele respective, dar şi „Rezumat”,

„Aplicaţii”, „Test de autoevaluare”, „Lucrare de verificare”, „Răspunsuri

la testul de autoevaluare” şi „Bibliografie”.

Astfel, Modulul 1, cu denumirea menţionată mai sus, cuprinde două

capitole, intitulate în felul următor: „Sonda de foraj şi echipamentul de la

gura sondei” şi „Utilajele de adâncime pentru foraj şi procesul de foraj”.

Modulul 2, cu titlul „Instalaţia de foraj în ansamblu”, se compune

din următoarele capitole: „Structura instalaţiei de foraj şi mărimile

caracteristice” şi „Studiul lanţurilor cinematice ale sistemelor de lucru”.

Modulul 3 este denumit „Sistemele de lucru principale ale instalaţiei

de foraj” şi are în componenţa sa capitolele denumite astfel: „Sistemul de

manevră” şi „Sistemul de rotaţie”.

Pentru înţelegerea aspectelor constructive, funcţionale, de

exploatare şi de calcul, se folosesc fotografii, figuri sugestive, diagrame şi

tabele concentratoare de date.

De asemenea, s-a considerat util să se precizeze şi termenii

principali din limba engleză, menţionaţi în paranteze rotunde, între

ghilimele, cu indicaţia „în lb. en.”, corespunzători termenilor româneşti, cu

scopul cunoaşterii lor de către studenţi şi al accesării cu uşurinţă a

materialului respectiv pe internet. Sunt indicate şi link-uri cu ajutorul

cărora pot fi accesate pe internet filme video, de animaţie sau realizate pe

utilaje reale sau în condiţii de şantier.

Fiecare capitol este însoţit de un material bibliografic care dă

posibilitatea cititorului să se documenteze mai pe larg despre problematica

abordată.

În sfârşit, trebuie subliniat faptul că materialul prezentat în această

carte are o structură unitară şi problematica abordată nu poate fi înţeleasă

decât pe măsură ce se parcurge pas cu pas, respectiv fiecare unitate de

învăţare, în ordinea în care este tratată.

Ploieşti, 2013

Autorul

5

C U P R I N S

MODULUL 1. ELEMENTE DE INGINERIE MECANICĂ

A CONSTRUCŢIEI SONDEI ........................................................... 8

CONŢINUT .................................................................................................. 8

OBIECTIVE ................................................................................................. 8

TERMENI-CHEIE ....................................................................................... 9

CAPITOLUL 1. SONDA DE FORAJ ŞI ECHIPAMENTUL DE LA

GURA SONDEI ......................................................................................... 10

1.1. Construcţia sondei de foraj .................................................................. 10

1.2. Mărimile prin care se apreciază reuşita operaţiilor de tubare

şi de cimentare ..................................................................................... 18

1.3. Construcţia burlanului şi tipurile de burlane ....................................... 22

1.4. Profilul/ Structura coloanei de burlane ................................................ 25

1.5. Capul de sondă ..................................................................................... 34

1.6. Instalaţia de prevenire a erupţiilor ....................................................... 36

1.7. Rezumat ............................................................................................... 46

1.8. Aplicaţii ............................................................................................... 47

1.9. Test de autoevaluare ............................................................................ 53

1.10. Lucrare de verificare .......................................................................... 54

1.11. Răspunsuri la testul de autoevaluare .................................................. 54

Bibliografie ........................................................................................ 55

CAPITOLUL 2. UTILAJELE DE ADÂNCIME PENTRU FORAJ ŞI

PROCESUL DE FORAJ ............................................................................ 56

2.1. Sapa de foraj ........................................................................................ 56

2.2. Garnitura de foraj ................................................................................. 59

2.3. Tipurile de îmbinări filetate ale elementelor garniturii de foraj .......... 63

2.4. Secţiunile critice ale îmbinării filetate cu umăr a prăjinii grele ........... 63

2.5. Lungimea ansamblului de adâncime ................................................... 67

2.6. Verificarea la flambaj a ansamblului de adâncime .............................. 71

2.7. Procesul de foraj .................................................................................. 74

2.8. Eficienţa procesului de foraj ................................................................ 76

2.9. Rezumat ............................................................................................... 79

2.10. Aplicaţii ............................................................................................. 80

2.11. Test de autoevaluare .......................................................................... 82



Bibliografie ........................................................................................ 83

MODULUL 2. INSTALAŢIA DE FORAJ ÎN

ANSAMBLU .......................................................................................... 84

CONŢINUT ................................................................................................ 84

6

OBIECTIVE ............................................................................................... 85

TERMENI-CHEIE ..................................................................................... 85

CAPITOLUL 3. STRUCTURA ŞI MĂRIMILE CARACTERISTICE

ALE INSTALAŢIEI DE FORAJ ……………………………………....... 86

3.1. Tipurile de instalaţii de foraj ................................................................ 86

3.2. Componenţa instalaţiei de foraj şi transmiterea fluxului energetic ..... 90

3.3. Sistemul de lucru şi rolul funcţional al elementelor din

componenţa lui ................................................................................... 102

3.4. Cerinţele structural-funcţionale ale unui sistem de lucru .................. 105

3.5. Mărimile fizice proprii, parametrii şi caracteristicile instalaţiei de

foraj şi ale utilajelor componente ...................................................... 111

3.6. Forţa/ Sarcina de la cârlig .................................................................. 114

3.7. Acţionarea .......................................................................................... 126

3.8. Structura funcţională .......................................................................... 129

3.9. Puterea instalată ................................................................................. 133

3.10. Rezumat ........................................................................................... 138

3.11. Aplicaţii ........................................................................................... 138

3.12. Test de autoevaluare ........................................................................ 142

3.13. Lucrare de verificare ........................................................................ 143

3.14. Răspunsuri la testul de autoevaluare ................................................ 143

Bibliografie ...................................................................................... 144

4. STUDIUL LANŢURILOR CINEMATICE ALE SISTEMELOR DE

LUCRU ..................................................................................................... 146

4.1. Transmisiile mecanice utilizate în cadrul lanţurilor cinematice ........ 146

4.2. Construcţia transmisiei cu lanţ şi mărimile sale constructiv-

geometrice .......................................................................................... 154

4.3. Fenomenul de oboseală a ansamblului rolă-bucşă ............................. 160

4.4. Structura lanţurilor cinematice ale sistemelor de lucru .................... 164

4.5. Modul de obţinere a treptelor de viteză ............................................. 172

4.6. Sistemul de ecuaţii ale liniilor de cuplare asociat lanţului

cinematic ............................................................................................ 175

4.7. Rezumat ............................................................................................. 176

4.8. Aplicaţii ............................................................................................. 176




Bibliografie ...................................................................................... 181

MODULUL 3. SISTEMELE DE LUCRU PRINCIPALE

ALE INSTALAŢIEI DE FORAJ ................................................. 183

CONŢINUT .............................................................................................. 183

OBIECTIVE ............................................................................................. 183

TERMENI-CHEIE ................................................................................... 184

CAPITOLUL 5. SISTEMUL DE MANEVRĂ ……………………........ 185

7

5.1. Funcţiunile, componenţa şi mărimile fizice definitorii ...................... 185

5.2. Maşina macara-geamblac .................................................................. 190

5.3. Cablul de manevră ............................................................................ 196

5.4. Geamblacul de foraj .......................................................................... 204

5.5. Ansamblul macara-cârlig .................................................................. 211

5.6. Troliul de foraj .................................................................................. 219

5.7. Ansamblul arborelui tobei de manevră ............................................. 229

5.8. Echipamentul de frânare ................................................................... 233

5.9. Diagrama de ridicare ......................................................................... 240

5.10. Rezumat ........................................................................................... 244

5.11. Aplicaţii ........................................................................................... 245




Bibliografie ...................................................................................... 249

CAPITOLUL 6. SISTEMUL DE ROTAŢIE ........................................... 251

6.1. Componenţa şi funcţiile ..................................................................... 251

6.2. Grupul de antrenare a mesei rotative ................................................. 253

6.3. Masa rotativă .................................................................................... 254

6.4. Pătratul mare ...................................................................................... 262

6.5. Dispozitivul de antrenare ................................................................... 264

6.6. Capul hidraulic ................................................................................... 266

6.7. Capul hidraulic-motor/ Top drive-ul ................................................. 274

6.8. Rezumat ............................................................................................. 285

6.9. Aplicaţii ............................................................................................. 285




Bibliografie ...................................................................................... 288

8

MODULUL 1

ELEMENTE DE INGINERIE MECANICǍ A

CONSTRUCŢIEI SONDEI

CONŢINUT

CAPITOLUL 1. SONDA DE FORAJ ŞI ECHIPAMENTUL DE LA

GURA SONDEI ......................................................................................... 10

1.1. Construcţia sondei de foraj .................................................................. 10

1.2. Mărimile prin care se apreciază reuşita operaţiilor de tubare

şi de cimentare ..................................................................................... 18

1.3. Construcţia burlanului şi tipurile de burlane ....................................... 22

1.4. Profilul/ Structura coloanei de burlane ................................................ 25

1.5. Capul de sondă ..................................................................................... 34

1.6. Instalaţia de prevenire a erupţiilor ....................................................... 36

1.7. Rezumat ............................................................................................... 46

1.8. Aplicaţii ............................................................................................... 47

1.9. Test de autoevaluare ............................................................................ 53



Bibliografie ........................................................................................ 55

CAPITOLUL 2. UTILAJELE DE ADÂNCIME PENTRU FORAJ ŞI

PROCESUL DE FORAJ ............................................................................ 56

2.1. Sapa de foraj ........................................................................................ 56

2.2. Garnitura de foraj ................................................................................. 59

2.3. Tipurile de îmbinări filetate ale elementelor garniturii de foraj .......... 63

2.4. Secţiunile critice ale îmbinării filetate cu umăr a prăjinii grele ........... 63

2.5. Lungimea ansamblului de adâncime ................................................... 67

2.6. Verificarea la flambaj a ansamblului de adâncime .............................. 71

2.7. Procesul de foraj .................................................................................. 74

2.8. Eficienţa procesului de foraj ................................................................ 76

2.9. Rezumat ............................................................................................... 79

2.10. Aplicaţii ............................................................................................. 80




Bibliografie ........................................................................................ 83

9

OBIECTIVE:

însuşirea terminologiei specifice construcţiei sondei de foraj,

echipamentului de la gura sondei, echipamentului de adâncime utilizat

pentru foraj şi procesului de foraj;

cunoaşterea elementelor de inginerie mecanică a construcţiei sondei de

foraj: operaţiilor de realizare a sondei de foraj, a construcţiei sondei, a

mărimilor prin care se apreciază reuşita operaţiilor de tubare a puţului şi de

cimentare a coloanei de burlane, a construcţiei burlanelor de tubare, a

structurii coloanei de burlane, a solicitărilor şi a tipurilor de avarii ale

acesteia în timpul exploatării, a construcţiei capului de coloane şi a

echipamentului de prevenire a erupţiilor, a funcţiilor şi componenţei

garniturii de foraj, îmbinărilor filetate şi secţiunilor critice ale îmbinărilor cu

umăr ale prăjinilor grele, solicitărilor şi degradării acestor prăjini, a modului

de determinare a lungimii ansamblului de adâncime şi de evitare a

flambajului acestuia, a efectelor negative ale manifestării flambajului, a

mărimilor ce caracterizează procesul de foraj şi a indicatorilor de eficienţă a

acestui proces;

formarea unei gândiri inginereşti de corelare a factorilor de sondă cu

modalitatea de desfăşurare a operaţiilor de foraj, tubare şi cimentare şi cu

funcţionarea şi exploatarea echipamentului de adâncime.

TERMENI-CHEIE:

sondă de foraj; operaţie de foraj; tubare; cimentare; coloană de burlane;

echipament de la gura sondei; cap de sondă; instalaţie de prevenire a

erupţiilor; echipament de adâncime, de foraj; sapă de foraj; garnitură de

foraj; ansamblu de adâncime; prăjină de foraj; prăjină grea; stabilizator;

proces de foraj.

10

CAPITOLUL 1

SONDA DE FORAJ ŞI ECHIPAMENTUL DE LA

GURA SONDEI

1.1. Construcţia sondei de foraj

Sonda de foraj (Sd.F) („Drilling well”, în lb.en.) este o construcţie

complexă în interiorul scoarţei terestre, realizată prin forajul („drilling”, în

lb.en.) şi tubarea („casing”, în lb.en.) succesivă (cu ajutorul unei instalaţii

de foraj), cu cimentarea („cementing”, în lb.en.) coloanelor de burlane

respective (folosind agregate de cimentare), a unor găuri sau puţuri de foraj

(în număr de 2 până la 5), cu diametre din ce în ce mai mici, până la

adâncimea finală/ maximă (HM), într-un anumit scop, şi anume: efectuarea

unor studii geologice, explorarea unei zone, extracţia petrolului, a gazelor

etc.

Studiile geologice se referă la:

a) stratigrafia tectonică;

b) proprietăţile fizico-mecanice ale rocilor;

c) conţinutul în hidrocarburi naturale, minerale utile, ape etc.

Acestea stau la baza lucrărilor de exploatare a hidrocarburilor, a diferitelor

minerale utile, a apelor etc.

Studiile geologice se efectuează forând puţuri de diametru mic cu

ajutorul unor instalaţii de foraj speciale, denumite astfel:

instalaţii de foraj geologic (tipurile SG, FG);

instalaţii de foraj hidrogeologic (tipul FA);

instalaţii de foraj seismic (tipul FS).

În general, există următoarele etape premergătoare ale exploatării

unui zăcământ de petrol sau gaze:

explorarea geofizică;

forajul de explorare;

forajele de conturare.

Prin metodele şi tehnicile corespunzătoare de explorare geofizică se

pun în evidenţă depozitele de hidrocarburi dintr-o regiune necunoscută sau

mai puţin explorată, dar care întruneşte caracteristicile unei zone cu posibile

zăcăminte. Una dintre metode este explorarea seismică, numită şi

seismologia de reflexie sau reflecţia seismică1, prin care se obţine o secţiune

seismică a regiunii explorate.

1 Seismologia de reflexie (sau reflecţia seismică) este o metodă a geofizicii de explorare

care utilizează principiile seismologiei pentru a estima proprietăţile subsolului cu ajutorul

undelor seismice reflectate. Metoda necesită o sursă seismică, controlată, de energie, ca de

exemplu dinamită sau tovex, o puşcă cu aer sau un vibrator seismic, cunoscut de obicei cu

numele de Vibroseis, ca nume de fabrică. Prin înregistrarea timpului pe care-l face o

reflecţie/ reflexie pentru a ajunge la un receptor, este posibil să se estimeze adâncimea

formaţiunii geologice care a generat reflexia. În acest mod, seismologia de reflexie este

similară cu sonarul sau ecolocaţia.

11

După explorarea geofizică urmează forajul de explorare cu ajutorul

căruia se certifică prezenţa sau absenţa depozitelor de hidrocarburi. Acest

lucru se face prin săparea unei sonde de explorare şi prin realizarea unor

carotaje.

Pentru a delimita aria de extindere a zăcământului/ depozitului de

hidrocarburi, se efectuează foraje de conturare, rezultând sondele de

conturare.

Urmează forajul de exploatare care se face prin construirea sondei

de foraj (Sd.F) pentru exploatarea hidrocarburilor.

Pentru construirea sondelor de explorare, conturare şi, respectiv, de

exploatare a hidrocarburilor naturale (petrolului şi gazelor naturale) se

utilizează instalaţii de foraj (IF) foarte diverse, care se pot clasifica în

funcţie de diferite criterii.

Găurile/ Puţurile de foraj se realizează prin forare cu ajutorul IF,

folosind diverse metode de foraj. Cea mai utilizată este metoda de foraj

rotativ-hidraulică (metoda „rotary”). Acestă metodă constă în antrenarea

sapei de foraj în mişcare de rotaţie şi spălarea tălpii puţului, pentru

îndepărtarea detritusului rezultat din interacţiunea elementelor de dislocare/

tăietoare ale sapei cu roca, prin circulaţia noroiului/ fluidului de foraj.

Antrenarea sapei („Bit drive” , în lb. en.) se poate face:

1) direct, folosind un motor de adâncime (MAd);

2) indirect, prin intermediul garniturii de foraj (Gar.F), utilizând masa

rotativă (MR) sau capul hidraulic-motor (CH-M) – acţionarea de la

partea superioară („top-drive-ul”).

Circulaţia fluidului de foraj („Drilling mud circulation”, în lb. en.)

poate fi:

1) directă (prin interiorul Gar.F şi, apoi, prin spaţiul inelar dintre

peretele puţului şi Gar.F);

2) inversă (prin spaţiul inelar şi, apoi, prin interiorul Gar.F).

Tubarea puţului de foraj („Casing of the drill well”, în lb. en.) constă

în introducerea unei coloane de burlane (CB) (vezi fig. 1.1) până la

adâncimea la care s-a forat.

După tubare se efectuează cimentarea coloanei („casing cementing”,

în lb. en.) pentru a obtura spaţiul inelar dintre gaură şi coloană şi a realiza

priza cu peretele găurii, coloana fiind solidarizată de rocă.

Scopurile urmărite în efectuarea operaţiilor de tubare şi cimentare

sunt:

– asigurarea protecţiei găurii săpate pentru a nu crea dificultăţi în

continuarea forajului până la atingerea adâncimii finale;

– izolarea între ele a straturilor ce conţin fluide de naturi diferite (apă,

gaze, petrol) şi cu măsuri diferite ale presiunii;

– asigurarea unui suport suficient de rezistent pentru fixarea

coloanelor următoare.

Protecţia găurii se referă la împiedicarea strângerii găurii, din cauza

umflării rocii în contact cu noroiul de foraj, sau surpării peretelui, pericol

care apare, mai frecvent, în formaţiunile slab consolidate şi se datorează atât

presiunii litostatice, cât şi dezechilibrului tensiunilor interne tectonice,

produs prin săpare.

12

Construcţia Sd.F se face pe baza unei comenzi geologo-tehnice, care

conţine:

– date referitoare la structura geologică a zonei care urmează să fie

străbătută prin foraj;

– parametrii estimaţi ai procesului de foraj;

– programul de construcţie a sondei.

Fig. 1.1. Aspecte din timpul tubării puţului forat (de la stânga spre dreapta): aducerea

burlanului în poziţia de înşurubare în porţiunea de coloană introdusă deja, înşurubarea şi

strângerea îmbinării filetate, folosind cleştele macanizat, şi coborârea coloanei pe lungimea

burlanului înşurubat

Programul de construcţie a sondei se alcătuieşte pe baza datelor din

tema de proiectare şi a informaţiilor culese de la sondele de explorare,

conturare sau a celor de corelare2. El cuprinde:

1) programul de tubare a găurilor/ puţurilor forate;

2) profilurile coloanelor de burlane;

3) tipodimensiunile de sape, garnituri de foraj şi de motoare de

adâncime (când este cazul);

4) tipul şi caracteristicile fluidului de foraj;

5) programele de cimentare a coloanelor de burlane.

Programul de tubare stabileşte următoarele:

– numărul de coloane de burlane necesare pentru echiparea Sd.F, nCB;

– diametrul nominal (exterior) al fiecărei CB, DCB.j, j = 1, 2, ..., nCB;

– adâncimea de introducere a fiecărei CB (de tubare a fiecărui puţ de

foraj), HCB.j ≡ HT.j, j = 1, 2, ..., nCB;

2 Sondele de corelare sunt sonde construite anterior, în aceeaşi zonă cu sonda care urmează

să fie realizată, ale căror informaţii, obţinute în timpul proceselor de foraj şi de producţie,

sunt utilizate pentru: estimarea condiţiilor geologo-fizice şi stratigrafice (structurale şi

litostratigrafice) şi a agenţilor contaminanţi pentru fluidul de foraj, evaluarea gradienţilor de

presiune şi de fisurare şi a densităţii fluidului de foraj în funcţie de adâncime şi de tipul

litologic al formaţiunilor traversate, estimarea temperaturii maxime la adâncimea finală a

sondei, elaborarea programului de construcţie a sondei şi estimarea producţiei sondei.

13

– lungimea fiecărei CB (lungimea de tubare a fiecărui puţ), LCB.j ≡ LT.j,

j = 1, 2, ..., nCB;

– înălţimea de cimentare a fiecărei CB, Hc.CB.j, j = 1, 2, ..., nCB.

Se notează cu yT.j adâncimea relativă de tubare a puţului de ordinul

j, care se defineşte astfel:

M

j.T

j.TH

Hy . (1.1)

Se constată că yT.j(0, 1].

Toate mărimile caracteristice ale programului de tubare se determină

în funcţie de următorii factori principali:

1) tipul sondei ce urmează să fie construită (de explorare sau de

exploatare);

2) adâncimea finală, proiectată, a sondei (HM);

3) informaţiile generale asupra regiunii în care se va construi sonda;

4) formaţiunile care trebuie traversate, caracteristicile lor geologice şi

petrografice şi felul fluidelor pe care le conţin;

5) echipamentul de adâncime al sondei de extracţie (Sd.E), necesar

aplicării metodei de exploatare artificiale a zăcământului respectiv

de petrol sau gaze;

6) producerea simultană din mai multe orizonturi, metodă care necesită

mai multe coloane de ţevi de extracţie, izolate între ele prin pachere;

7) alternativa continuării forajului, la o dată ulterioară – reintrarea =

„re-entry” (în lb. en.);

8) presiunea hidrostatică corespunzătoare fiecărei adâncimi de tubare,

presiunea litostatică estimată a fiecărei formaţiuni traversate şi

presiunea fluidului conţinut în formaţiune;

9) gradul de deviere de la verticală a sondei şi traseul acesteia.

În fig. 1.2 se prezintă construcţia unei Sd.F, de exploatare a

petrolului sau/ şi a gazelor naturale.

În mod obişnuit, o Sd.F conţine până la 5 CB, nCB {2, 3, 4, 5}.

Fiecare CB îndeplineşte funcţii specifice în cadrul Sd.F.

Coloana de burlane (CB) („Casing”, în lb. en.) este denumită în

concordanţă cu funcţia pe care o are în construcţia sondei respective, ea

ocupând o anumită poziţie în alcătuirea sondei. Astfel, există în construcţia

unei Sd.F următoarele CB, în ordinea în care sunt introduse (vezi fig. 1.2):

coloana de ghidare (CG) („guide casing”/ „conductor casing”, în lb. en.),

coloana de ancorare (CA) („anchoring casing”, în lb. en.) sau de suprafaţă

(CS) („surface casing”, în lb. en.), coloana intermediară (CI) („intermediate

casing”, în lb. en.) şi coloana de exploatare (CE) („production casing”, în lb.

en.).

Dacă sonda este de mare adâncime sau dacă tipul formaţiunilor

traversate necesită utilizarea mai multor coloane, atunci pot fi două coloane

intermediare, care se denumesc cu I şi II: CI(I) şi CI(II).

Deci,

CB{CG, CA/S, CI(I), CI(II), CE}.

14

În continuare, coloanele se denumesc şi în funcţie de numărul de

ordine j{1, 2, ..., nCB}, adică CB.j (coloana de burlane de ordinul j),

numărul de ordine fiind cel al introducerii ei în sondă, adică

CB.1 ≡ CG; CB.2 ≡ CA/S; CB.3 ≡ CI; CB.4 ≡ CE

sau

CB.1 ≡ CG; CB.2 ≡ CA/S; CB.3 ≡ CI(I); CB.4 ≡ CI(II); CB.5 ≡ CE,

dacă sunt două coloane intermediare.

Fig. 1.2. Construcţia sondei de foraj (Sd.F) pentru exploatarea zăcămintelor de petrol sau/ şi

gaze: DS.PG/PS/PI(I)/PI(II)/PE – diametrul sapei pentru forajul puţului de ghidare (PG)/ de

suprafaţă (PS)/ intermediar I (PI(I))/ intermediar II (PI(II))/ de exploatare (PE);

DCG/CS/CI(I)/CI(II)/CE – diametrul nominal al CG/CS/CI(I)/CI(II)/CE; HCG/CS/CI(I)/CI(II)/CE –

adâncimea de introducere a CG/CS/CI(I)/CI(II)/CE; LCG/CS/CI(I)/CI(II)/CE – lungimea

CG/CS/CI(I)/CI(II)/CE; Pk – pacher; Hc.CE – înălţimea de cimentare a CE; Og.C – oglinda

de ciment

15

În situaţia în care lipseşte CG, atunci există:

CB.1 ≡ CA/S; CB.2 ≡ CI; CB.3 ≡ CE

sau

CB.1 ≡ CA/S; CB.2 ≡ CI(I); CB.3 ≡ CI(II); CB.4 ≡ CE.

Diametrul nominal al CB, DCB, reprezintă diametrul exterior al

burlanelor (De.B),

B.eCB DD . (1.2)

Se notează cu DCB.j, j = 1, 2, ..., nCB, diametrul nominal al coloanei

de ordinul j.

Măsurile lui DCB.j, j = 1, 2, ..., nCB–1, se stabilesc în funcţie de

măsura diametrului nominal al CE (DCE), determinată, la rândul ei, de

factorii principali ai construcţiei Sd.F (vezi mai sus), denumiţi la punctele

5), 6) şi 7), şi, apoi, în funcţie de măsura adâncimii de tubare şi de condiţiile

de lucru, cunoscute sau presupuse (estimate), precizate prin factorii amintiţi

în înşiruirea de mai sus.

Lungimea coloanei poate fi:

CBCB HL . (1.3)

Ca urmare, există două situaţii:

1) CBCB HL , (1.4)

dacă puţul se tubează până la suprafaţă („la zi”), coloana fiind denumită

întreagă;

2) CBCB HL , (1.5)

dacă tubarea găurii se limitează la lungimea de formaţiune deschisă

(lungimea de săpare, Ls), cuprinsă între şiul coloanei precedente şi talpa

puţului, coloana numindu-se pierdută sau lainer (de la cuvântul „liner” din

literatura de specialitate de lb. en.).

Coloana pierdută poate îndeplini rolul coloanei intermediare, de

protecţie, sau al coloanei de exploatare. Ea se petrece în coloana precedentă

pe o lungime de circa 30 75 m ([1.1]). Deci, dacă CB.j este coloană

pierdută (sau de tipul lainer), atunci, de obicei, se alege lungimea ei, LCB.j,

astfel încât:

m75301 j.CBj.CBj.CB HHL , (1.6)

unde [HCB.j-1] = [HCB.j] = m.

Coloana pierdută se fixează de coloana anterioară prin intermediul

unui dispozitiv, denumit pacher (de la termenul englezesc „packer”, „pack”

însemnând „a înfăşura”, „a etanşa” etc.).

Coloana de exploatare/ producţie (CE) („production casing”, în lb.

en.) tubează puţul de exploatare, forat la adâncimea finală, în zona stratului

productiv sau a straturilor productive. Ea este ultima coloană care se

introduce în Sd.F şi care permite exploatarea zăcământului de petrol sau

gaze, prin echipamentul de completare (al sondei de extracţie), impus de

metoda şi tehnica de extracţie artificială care se presupune că va fi aplicată.

Diametrul nominal al CE poate fi, la sondele de diametru normal, de

4½"6⅝". Pentru cazurile uzuale, se alege diametrul de 4½"5½" şi numai

pentru sondele cu debit (presupus a fi) foarte mare sau în cazul sondelor cu

16

probleme dificile în perioada de exploatare se alege măsura 6⅝" sau, chiar,

mai mare (până la 10¾"). Pentru sondele de prospecţiune (care sunt

construite cu coloane cu diametrul mai mic decât în cazul sondelor de

exploatare), dacă sunt înzestrate cu CE, diametrul ei se alege mai mic decât

4½". La sondele înguste/ de diametru mic („slim wells”/ „slim holes”/

„small diameter wells”, în lb. en.), diametrul nominal al CE poate fi de 3½".

În general, alegerea diametrului nominal al CE se face în funcţie de natura

fluidului extras (petrol sau gaze), de debitul estimat al acestui fluid (vezi

tabelul 1.1) şi de metoda şi tehnica de extracţie artificială care se prevede să

fie utilizată, respectiv de diametrul nominal al coloanei de ţevi de extracţie

(DTE) (tubingului). DTE se alege astfel încât fluidul extras din stratul

productiv să fie transportat prin interiorul C.TE la suprafaţă, la capul de

erupţie sau capul de pompare, cu o viteză economică de curgere: tubingul de

diametru mic restricţionează debitul de curgere din cauza căderii mari de

presiune. În cazul unei CE şi a unei C.TE de diametru mic, problemele de

completare a sondei („well completion problems”, în lb. en.) pentru

extracţie pot fi mai complicate iar spaţiul inelar redus dintre CE şi C.TE face

dificilă amplasarea sculelor şi dispozitivelor şi desfăşurarea operaţiilor de

amplasare a lor şi, de asemenea, a activităţilor de intervenţie („workover

activities”, în lb. en.).

Tabelul 1.1. Măsura diametrului nominal al CE (DCE) în funcţie de natura fluidului extras

(petrol sau gaze) şi de măsura debitului estimat al acestui fluid [1.3]

Debitul

stratului

productiv,

QStr.Pr

Fluidul extras

Petrol, în t/24 h Gaze, în 103 m

3/24 h

<40 40÷100 60÷120 >120 <75 75÷120 100÷500 >500

DCE, în in 4½ 5÷5½ 5½÷5¾ 6¼÷6⅝ 4½ 4½÷6⅝ 5⅜÷8⅝ 6⅝÷10¾

a b c

Fig. 1.3. Exemple de construcţii tipice sonde, cu diametrul normal, echipate/ completate şi

cu coloană de ţevi de extracţie (tubing), de 2⅞", 2⅜" şi, respectiv, de 3½": de diametru

mediu (a), mic (b) şi mare (c)

17

În fig. 1.3 se prezintă trei construcţii tipice de sonde, cu CE şi tubing

de diametru mediu (a), mic (b) şi mare (c). Tubingul din construcţia (b)

restricţionează debitul de fluid extras şi necesită utilizarea unor mufe

speciale, de diametru redus, în timp ce tubingul din construcţiile (a) şi (c)

poate folosi mufe de diametru standard.

Forajul „găurilor înguste” presupune dislocarea unui volum redus

de rocă şi necesită o cantitate mai mică de noroi de foraj, garnituri de foraj

mai uşoare, coloane de burlane de diametru mai mic (de greutate mai mică)

şi, ca urmare, instalaţii de foraj mici, cu cerinţe de putere mai scăzute.

Comparând găurile de diametru mic, planificate, de 5¾ in şi, eventual, de

4⅛ in, cu găurile forate, normale, de 8¾ in şi, respectiv, de 5¾ in, se

constată [1.9] că se pot realiza economii medii, care includ: 30 ÷ 40 % mai

puţină rocă de forat, 43 % mai puţin volum de noroi şi o greutate a

coloanelor de burlane cu peste 35 % mai redusă.

Fig. 1.4. Gaura îngustă/ de diametru mic reduce atât cheltuielile de puţ (cu circa 40 %) – de

la 5 la 3 milioane de dolari –, cât şi cele de amplasament [1.11]:

Diametrul găurilor este redus cu până la 50 %; Volumul de fluid de foraj consumat şi

cantitatea de rocă sfărâmată sunt reduse cu 75 %; Amplasamentul este redus cu 70 ÷ 75 %

Figura 1.4 ilustrează reducerea „cheltuielilor de puţ” şi „de

amplasament”, în cazul unui foraj îngust, faţă de unul obişnuit, până la

adâncimea de 9 800 ft ( 3 000 m).

Se constată ([1.9], [1.10], [1.11]) că, actualmente, este bine conturat

conceptul de „sistem de foraj al găurilor înguste/ de diametru mic”

(„slimhole drilling system” = „SHD system”, în lb. en.), căruia i se asociază

o tehnică specială [1.10]. Tehnica forajului îngust s-a impus după rezolvarea unor probleme

esenţiale care au vizat atât aspectul tehnologic-funcţional, cât şi cel al

rezistenţei materialelor, ultimul fiind reprezentat de reducerea la limită a

dimensiunilor secţionale fără să afecteze integritatea şi fiabilitatea

elementelor solicitate.

18

1.2. Mărimile prin care se apreciază reuşita operaţiilor

de tubare şi de cimentare

Operaţiile de tubare a găurii forate şi de cimentare a coloanei de

burlane (CB) respective, la adâncimea proiectată, pot fi efectuate în condiţii

bune dacă există între teren/ peretele găurii şi coloană o distanţă, denumită

impropriu spaţiu inelar („casing-to-hole

annulus”, în lb. en.), cu o anumită măsură.

Spaţiul inelar pentru CB.j se

defineşte astfel:

j.CB.Mj.P.Sj.CB DD

2

1, (1.7)

unde DS.P.j este diametrul nominal al sapei

utilizate pentru forajul puţului de ordinul j;

DM.CB.j – diametrul exterior al mufei (M)

burlanelor din CB de ordinul j.

Conform (1.7), δCB.j este jocul dintre

peretele găurii forate şi mufa burlanelor,

considerând o aşezare concentrică a CB faţă

de gaură (vezi fig. 1.5).

Fig. 1.5. Spaţiul inelar pentru coloana de burlane de

ordinul j (δCB.j) şi jocul interior minim pentru aceeaşi

coloană: M.CB.j – mufa coloanei de ordinul j; S.Pj+1

– sapa pentru forajul puţului de ordinul j+1; DS.P.j,

DS.P.j+1 – diametrul nominal al sapei folosite pentru

puţul de ordinul j, respectiv de ordinul j+1; DCB.j –

diametrul nominal al CB.j; DM.CB.j – diametrul mufei

CB.j; Di.m.CB.j – diametrul interior minim al CB.j;

sM.CB.j – grosimea maximă de perete a CB.j

Măsura necesară a spaţiului inelar

depinde de următorii factori mai importanţi:

– lungimea porţiunii netubate (deschise) de formaţiune, adică

lungimea găurii săpate/ forate (Ls);

– tipul şi diametrul nominal al burlanelor care alcătuiesc CB;

– gradul de deviere de la verticală a găurii forate şi traseul acesteia;

– formaţiunile traversate;

– caracteristicile fluidului de foraj şi ale pastei de ciment;

– starea generală a găurii

etc.

Influenţele acestor factori asupra măsurii necesare a spaţiului inelar

sunt prezentate în lucrarea [1.1].

Prin măsura optimă a spaţiului inelar se-nţelege acea măsură

minimă a distanţei dintre peretele găurii forate şi mufa burlanelor care

permite cu certitudine, în condiţii cunoscute de lucru, următoarele:

– introducerea fără dificultăţi a CB la adâncimea stabilită;

– realizarea, prin operaţia de cimentare primară, a unei izolări perfecte

a straturilor ce conţin fluide de naturi şi măsuri ale presiunii diferite.

19

Stabilirea măsurii optime a spaţiului inelar trebuie să se bazeze, în

ultimă instanţă, pe datele reale obţinute în şantier în timpul forajului.

Raţia spaţiului inelar este spaţiul inelar raportat la diametrul găurii

forate, considerat egal cu diametrul sapei:

S

CBCB

DR

(1.8)

sau

S

CB.MCB

D

DR 1

2

1. (1.9)

O altă mărime prin care se apreciază reuşita operaţiilor de tubare a

puţului şi de cimentare a coloanei de burlane este coeficientul de spaţiu

inelar, definit în felul următor:

CB.M

CBCB.SI

DC

2 (1.10)

sau, folosind expresia lui δCB,

1CB.M

SCB.SI

D

DC . (1.11)

Deci, valoarea raţiei spaţiului inelar, ca şi a coeficientului de spaţiu

inelar, depinde de aceiaşi factori, precizaţi mai sus, ca şi măsura spaţiului

inelar.

Problema stabilirii măsurii optime a spaţiului inelar este legată, în

principal, de necesitatea reuşitei depline a operaţiei de cimentare primară.

Cimentarea unei CB care tubează un puţ forat în anumite formaţiuni

geologice, pe o anumită lungime (Ls), constă în umplerea spaţiului inelar

dintre peretele puţului şi cel al coloanei cu pastă (lapte) de ciment care, prin

întărire, sub forma pietrei de ciment, trebuie să izoleze între ele straturile

permeabile, adică să împiedice migraţia fluidelor dintr-un strat permeabil în

altul sau ieşirea lor necontrolată în atmosferă, să consolideze formaţiunile

instabile, să mărească capacitatea portantă a coloanei şi, de asemenea, s-o

protejeze de acţiunea agresivă a fluidelor (apelor sărate, petrolului şi gazelor

cu conţinut de hidrogen sulfurat etc.) [1.4].

Scopul cimentării este atins în întregime, ceea ce înseamnă reuşita

deplină sau calitatea foarte bună a cimentării, numai dacă se produce

înlocuirea completă a fluidului de foraj existent în spaţiul inelar înainte de

cimentare (inclusiv a stratului/ turtei de colmatare3) şi se formează un inel

cilindric uniform, rezistent, impermeabil, stabil la deformaţiile coloanei, la

acţiunea corozivă a diverselor fluide conţinute în formaţiunile respective şi a

temperaturii ridicate din aceste formaţiuni, aderent atât la rocile

înconjurătoare, cât şi la suprafaţa exterioară a burlanelor [1.4].

3 Turta sau stratul de colmatare este stratul de fluid/ noroi de foraj filtrat, depus pe peretele

puţului, în timpul forajului hidraulic (cu circulaţie de fluid), cu rolul de a izola gaura forată

de formaţiunile geologice traversate, astfel încât să nu pătrundă fluidele din aceste

formaţiuni în sondă şi nici fluidul de foraj să nu le inunde (să nu se producă pierderi de

fluid în strat).

20

Reuşita sau calitatea unei cimentări este evaluată, îndeosebi, prin

absenţa circulaţiei nedorite a fluidelor în spatele coloanei şi este determinată

de foarte mulţi factori, de importanţă diferită, care pot fi grupaţi în trei

categorii [1.4]: factori de natură geologică, de provenienţă tehnică şi factori

de origine tehnologică.

Fig. 1.6. Centrori de coloană: constau dintr-un

anumit număr de arcuri de încovoiere drepte sau

în spirală, fixate la ambele capete cu ajutorul

unor inele din oţel

În cazul sondelor deviate de la

verticală, mai ales în situaţia găurilor de

diametru mic, se constată că nu se poate

obţine o centrare perfectă a coloanelor

care le tubează, folosind dispozitivele

existente de centrare (de exemplu,

centrorii de coloană – vezi fig. 1.6), ceea

ce determină „canalizarea” pastei de

ciment şi nerealizarea unui inel compact

de ciment în jurul burlanelor (vezi fig. 1.7), care pot duce la nereuşita

operaţiei de cimentare primare [1.1].

Coloana de burlane

Ciment

Strat de colmatare

Fig. 1.7. Dezlocuirea parţială a stratului de colmatare de pe peretele găurii forate

Pentru aprecierea diametrului sapei (DS) şi a spaţiului inelar (δCB) se

pot folosi următoarele relaţii aproximative:

CBS D,D 351 ; (1.12)

CBCB D, 120δ , (1.13)

pe baza cărora rezultă

.,RCB 0890 (1.14)

În tabelul 1.2 sunt prezentate, conform cu [1.8], măsurile

recomandate pentru spaţiul inelar (δCB.r) şi valorile recomandate pentru raţia

spaţiului inelar (RCB.r) şi coeficientul de spaţiu inelar (CSI.CB.r), alături de

măsurile obţinute prin calcul pentru δCB, folosind expresia (1.13). Se

observă că se recomandă valori mai mari pentru RCB.r şi CSI.CB.r pentru

condiţii de foraj complicate în comparaţie cu cele normale.

Dacă spaţiul inelar este mic pot să apară probleme de cimentare, de

exemplu deshidratarea prematură a cimentului şi formarea unei punţi de

ciment („cement bridge”, în lb. en.). Companiile de cimentare raportează că

21

podirea („bridging”, în lb. en.) prematură a cimentului, cu crearea de fisuri

în timp în masa de ciment şi posibilitatea de migrare a gazelor la suprafaţă,

apare mai frecvent în sondele de adâncime, cu temperatură mai mare. De

aceea, aceste companii propun un joc radial minim de 0,375 in ÷ 0,500 in

(cca. 9,5 mm ÷ 12,7 mm), preferabil fiind un joc de 0,750 in (cca. 19 mm)

[1.14].

După tubarea puţului forat şi cimentarea coloanei respective, pentru

continuarea forajului, se introduce garnitura de foraj în această coloană.

Pentru a fi posibil acest lucru, este necesar să existe un joc minim între sapă

şi peretele interior al burlanului cu diametrul interior minim (Di.m.CB.j), deci

cu grosimea maximă de perete, sB.M.j ≡ sM.CB.j. Acest joc, denumit jocul

interior minim al CB.j şi notat cu δi.m.CB.j, este definit astfel (vezi fig. 1.4):

150δ j.P.Sj.CB.m.ij.CB.m.i DD, , CBn...,,,j 2 1 , (1.15)

unde DS.P.j+1 reprezintă diametrul nominal al sapei folosite pentru forajul

puţului următor, de ordinul j+1.

Tabelul 1.2. Măsurile recomandate pentru spaţiul inelar (δCB.r) şi valorile recomandate

pentru raţia spaţiului inelar (RCB.r) şi coeficientul de spaţiu inelar (CSI.CB.r), precum şi

măsurile pentru δCB, obţinute prin calcul, folosind expresia (1.13)

Nr.

crt.

D ≡ DCB,

mm (in)

δCB,

mm

δCB.r,

mm

Condiţii de foraj

normale complicate

RCB.r CSI.CB.r RCB.r CSI.CB.r

1 114,3÷127,0

(4½÷5)

13,7÷15,2 10÷15

0,050

÷

0,065

0,110

÷

0,150

0,060

÷

0,090

0,137

÷

0,220

2 139,7÷158,8

(5½÷6¼)

16,8÷19,1 15÷20

3 168,3÷193,7

(6⅝÷7⅝)

20,2÷23,2 20÷25

4 219,1 (8⅝) 26,3 25÷30

5 244,5 (9⅝) 29,3

6 273,0÷298,4

(10¾÷11¾)

32,8÷35,8 30÷35

0,060

÷

0,090

0,137

÷

0,220

0,080

÷

0,100

0,190

÷

0,250 7 323,8÷339,7

(12¾÷13⅜)

38,9÷40,8 35÷45

8 406,4÷508,0

(16÷20)

48,8÷61,0 45÷50

Se precizează că jocul diametral minim admisibil între interiorul

burlanului şi sapă trebuie să fie de 3/32 in, ceea ce înseamnă

mm 2,1in 32

3 admi .. . (1.16)

În [1.3], se recomandă

mm 6mm 3δ r.m.i, (1.17)

în funcţie de tipul şi diametrul nominal al sapei.

Folosind δi.m.r, se determină, pentru DS.P.j+1, diametrul interior minim

al coloanei de ordinul j, cu relaţia:

r.m.ij.P.Sj.CB.m.i DD δ21 . (1.18)

22

1.3. Construcţia burlanului şi tipurile de burlane

Burlanele („Casings4”, în lb. en.) se confecţionează în conformitate

cu normele API Specification 5CT [1.13].

Ele se fabrică din ţevi de oţel, cu diametrul nominal de 4½", 5", 5½",

6⅝", 7", 7⅝", 7¾", 8⅝", 9⅝", 10¾", 11¾", 13⅜", 16", 18⅝" şi 20",

laminate (fără sudură) sau cu sudură electrică, din următoarele grade: H 40,

J 55, K 55, N 80, L80, C90, C 95, T 95, P 110, şi Q 125, incluse în patru

grupe (conform tabelului 1.3), fără tratament termic sau cu tratament de

normalizare sau normalizare şi revenire (în funcţie de opţiunea fabricantului

sau cumpărătorului), pentru burlanele din gradele incluse în grupa 1, sau cu

tratament de călire şi revenire, pentru burlanele din gradele cuprinse în

grupele 2, 3 şi 4.

Aceste grade de oţeluri diferă după măsurile mărimilor mecanice

(limitei de curgere − Rt.0,5, pentru gradele din grupele 1 şi 2, Rt.0,6, pentru

gradul P 110, Rt.0,65, pentru Q 125; rezistenţei minime de rupere − Rm şi

alungirii la rupere − A50,8) şi după restricţiile impuse limitei de curgere şi

durităţii.

Observaţii. 1) Normele uzuale, interne şi internaţionale, admit ca

limită de curgere pentru oţeluri limita convenţională de tracţiune,

corespunzătoare unei alungiri remanente de 0,2 % (Rp.0,2). 2) Rt.0,5, Rt.0,6,

respectiv Rt.0,65 este definită în normele API ca limită convenţională de

tracţiune, corespunzătoare alungirii remanente de 0,5 %, 0,6 %, respectiv de

0,65 %. 3) A50,8 reprezintă alungirea la rupere minimă, corespunzătoare

distanţei dintre repere de 50,8 mm.

În tabelul 1.3 se prezintă măsurile limitei de curgere, rezistenţei

minime la rupere şi durităţii burlanelor, executate din oţeluri din diferite

grade de rezistenţă, în conformitate cu API Spec. 5 CT.

Tabelul 1.3. Grupa şi gradul oţelului din care se confecţionează burlanele (conform API

Spec. 5CT) şi măsurile limitei de curgere, rezistenţei minime de rupere şi durităţii

burlanelor şi, de asemenea, tehnologia de fabricaţie (laminare − Lam; sudare − Sud)

Grupa

(cf. API) Gradul

Limita de curgere,

Rt.0,5, MPa Rezistenţa min.

de rupere,

Rm, MPa

Duritatea Tehnologia

de fabricaţie min max HRC HB

1

H 40 276 552 414 − − Lam sau Sud

J 55 379 552 517 − − Lam sau Sud

K 55 379 552 655 − − Lam sau Sud

N 80 552 758 689 − − Lam sau Sud

2

L 80 552 655 655 23,0 241 Lam sau Sud

C 90 621 724 689 25,4 255 Lam

C 95 655 758 724 − − Lam sau Sud

T 95 655 758 724 25,4 255 Lam

3 P 110 758 965 862 − − Lam

4 Q 125 862 1 034 931 − − Lam sau Sud

Alegerea clasei de rezistenţă pentru confecţionarea burlanelor se face

şi în funcţie de rezistenţa la coroziune, conform tabelului 1.4.

4 Casing = A pipe run for the surface and intended to line the walls of a drilled well [1.13]

= O ţeavă introdusă de la suprafaţă cu intenţia de a căptuşi pereţii unei puţ forat.

23

Tabelul 1.4. Alegerea gradului de rezistenţă a

burlanului în funcţie de mediul de lucru

Mediul de lucru Gradul recomandat

necoroziv H 40, J 55, K 55, N 80, P 110

acid, cu H2S L 80, C 90, C 95, T 95, Q 125

Semnul grafic de nominalizare a gradului de rezistenţă este

următorul:

50 L,.tRw ,

unde L este o literă,

V T, Q, P, N, L, K, J, H, CL , ,

iar w(Rt.0,5) − valoarea numerică a măsurii limitei minime de curgere, cu

[Rt.0,5] = 103 psi.

Observaţie. 1 psi = 1 pounds/in2 = 1 lbf/in

2; 10

3 psi = 6,895 N/mm

2

= 6,895 MPa.

Exemplu. Pentru J 55 şi K 55, avem:

MPa 379MPa 379,225N/mm 6,89555psi1055 23

50 ,.tR .

Dar, J 55 şi K 55 diferă prin măsura lui Rm: pentru J 55, Rm = 517 MPa, iar

pentru K 55, Rm = 655 MPa.

Capetele burlanului sunt filetate cu filete conice. Îmbinările filetate

ale burlanelor pot fi cu mufă separată (burlanele având la ambele capete câte

un cep) sau cu mufă din corp (burlanele având la un capăt un cep, iar la

celălalt o mufă realizată din corp). Burlanele cu îmbinări, cu mufă separată,

se livrează cu o mufă înfiletată la un capăt (vezi fig. 1.1).

Fig. 1.8. Îmbinare filetată cu filet rotund scurt sau lung

Fig. 1.9. Îmbinare filetată cu filet Buttress

Burlanele standardizate în România se execută cu următoarele tipuri

de îmbinări filetate şi filete:

• îmbinări filetate cu mufă separată, cu:

24

− filet cu profil triunghiular, rotunjit (cu vârfurile şi bazele spirelor

rotunjite), denumit „filet rotund”, care poate fi scurt (notat cu S) şi lung

(notat cu L) (fig. 1.8);

− filet Buttress (notat cu B) (fig. 1.9), cu profil trapezoidal

asimetric;

• îmbinări filetate cu mufă din corp (de tipul cu umăr, cu zonă de

etanşare suplimentară prin contactul metalic dintre suprafaţa rotunjită de la

vârful cepului şi suprafaţa interioară, conică, de la baza filetului mufei), cu:

− filet Extreme-Line (notat cu EL) (fig. 1.10), cu profil trapezoidal

simetric, cu unghiul flancului de 6°.

Fig. 1.10. Îmbinare filetată Extreme-Line: pin = cep; box = mufă; Joint OD (Outer/ Outside

Diameter) = diametrul exterior al îmbinării; Joint ID (Inner/ Inside Diameter) = diametrul

interior al îmbinării; Upset runout interval = intervalul de uzură al îngroşării; Drift diameter

= diametrul de trecere5 (a şablonului/ tamponului de calibrare a burlanului/ verificare a

diametrului interior al burlanului)

Îmbinările cu filet rotund (S sau L) nu asigură etanşarea necesară, în

special, la sondele de gaze, şi nici rezistenţa la tracţiune impusă în cazul

coloanelor de burlane de lungime mare.

La sondele de mare adâncime se foloseşte, mai ales, îmbinarea cu

filet B, care asigură o rezistenţă mai mare decât îmbinarea cu filet rotund (S

şi L).

Datorită caracteristicilor sale constructive, îmbinările cu filet EL

asigură o etanşare mult mai bună decât celelalte tipuri (cu filet rotund şi B).

Au fost realizate şi alte filete şi îmbinări care prezintă caracteristici

de rezistenţă şi etanşare superioare, cum sunt îmbinările BDS (Buttress

Double Seal = etanşare dublă Buttress), MUST (Mannesmann Ultra Seal

Thread = filet Mannesmann cu ultra etanşare) şi OMEGA ale firmei

Mannesmann, îmbinările VAM ale firmei Vallourec, Hydrill ş.a.

Burlanele pentru tubare se execută cu lungimea (lB) cuprinsă în trei

intervale de măsuri:

− intervalul I, cu lB [4,88; 7,62]·m;

− intervalul II, cu lB (7,62; 10,36]·m;

− intervalul III, cu lB > 10,36 m.

5

Diametrul de trecere („Drift diameter”, în lb. en.) este diametrul interior pe care

fabricantul de burlane îl garantează prin specificaţie. Se precizează că diametrul interior

nominal nu este acelaşi cu diametrul de trecere, ci este întotdeauna ceva mai mare.

Diametrul de trecere este utilizat de proiectantul de sondă pentru a determina diametrul

sculelor şi al materialului tubular care pot fi introduse prin coloana de burlane, în timp ce

diametrul interior nominal este folosit pentru calculul volumului de fluid, timpul de

circulaţie a noroiului de foraj (mud, în lb. en.)şi calculul de amplasare a pastei de ciment

(cement slurry, în lb. en.), în timpul cimentării. (Conform Schlumberger Oilfield Glossary,

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term%20name&filter=drift)

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/m/mud.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/c/cement.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/s/slurry.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term%20name&filter=drift

25

Semnul grafic de nominalizare a burlanului este:

Burlan pentru tubare w1(DB) (w2(DB)) × w(sB) F − I − CB , STAS 875-86,

unde w( ) este valoarea numerică a măsurii mărimii din paranteză; DB −

diametrul nominal al burlanului, care reprezintă diametrul exterior al

acestuia (DB ≡ DB.e), [DB] = mm ([DB] = in); sB − grosimea de perete, [sB] =

mm; F − tipul filetului, F{S, L, B, EL}; I − intervalul de măsuri ale

lungimii, I {I, II, III}; CB − clasa de rezistenţă a oţelului din care se

confecţionează burlanul.

Exemplu: Burlan pentru tubare 219,1 (8⅝) × 10,16 B-II-N 80, STAS

876-86, înseamnă burlan pentru tubare cu diametrul nominal de 219,1 mm

(8⅝ in), grosimea de perete de 10,16 mm, filet B (Buttress), lungimea cu

măsura în intervalul II, clasa de rezistenţă N 80, conform STAS 875-86.

1.4. Profilul/ Structura coloanei de burlane

Profilul coloanei de burlane (CB) este secţiunea, în planul axei, prin

CB.

O CB, cu diametrul nominal DCB, este formată din mai multe

tronsoane (nt) de burlane, cu o anumită succesiune în compunerea coloanei,

determinată de solicitările la care sunt supuse burlanele la adâncimea la care

sunt situate. Fiecare tronson i, i{1, 2, ..., nt}, are în compunerea sa un

număr de burlane caracterizate printr-o anumită măsură a grosimii de perete

(sB.i) şi confecţionate dintr-un oţel de o anumită calitate (clasă de rezistenţă

= grad), CB.i.

Solicitările burlanelor sunt:

− tracţiune (T), datorită greutăţii proprii aparente (Ga) şi a forţei de degajare

a CB prinse în puţ (FD), în cazul în care se produce înţepenirea coloanei în

timpul introducerii ei în sondă;

− comprimare circumferenţială şi radială (C.C.R) din cauza presiunii

exterioare a fluidului de foraj (pe.f), în timpul introducerii CB (care se poate

face prin „plutire”, în cazul în care CB are la capătul de jos un şiu cu valvă

care o obturează);

− comprimare şi/ sau întindere circumferenţială şi radială (C/ I.C.R) datorită

presiunii interioare a fluidului de foraj (pi.f) şi a pastei de ciment (pi.pc) şi

exterioare a fluidului de foraj (pe.f) şi, apoi, a pastei de ciment (pe.pc), în

timpul cimentării CB, până la împingerea întregului volum de pastă de

ciment din interiorul CB în spaţiul inelar, înlocuind fluidul de foraj din acest

spaţiu;

− comprimare şi/ sau întindere circumferenţială şi radială (C/ I.C.R) datorită

presiunii interioare a fluidului de foraj şi exterioare a fluidului de foraj, în

partea de sus a spaţiului inelar, şi a pastei de ciment şi, apoi, a pietrei de

ciment (cimentului întărit), pe înălţimea de cimentare a CB (Hc.CB), în

timpul prizării cimentului;

− comprimarea circumferenţială şi radială datorită, eventual, presiunii

litostatice (pe.lit), în zonele în care s-a produs umflarea peretelui găurii forate

sau surpării acestuia;

26

− încovoiere (I), cu momentul de încovoiere (Mi), datorită devierii găurii de

foraj de la direcţia verticală, cu unghiul mediu de deviere θ, în zonele de

deviere;

− termică (T°), datorită temperaturii scoarţei terestre, care creşte odată cu

adâncimea, gradientul termic normal, în condiţiile României, fiind de circa

1°C la fiecare interval de 33 m (ΔT° = 1°C), şi, de asemenea, datorită

temperaturii produse în timpul prizării cimentului (procesul fiind

exotermic).

Observaţie. Din cauza variaţiilor de temperatură, după cimentarea

CB, când aceasta este prinsă la ambele capete, se produc variaţii ale sarcinii

axiale: când temperatura creşte, CB se alungeşte, ceea ce determină

reducerea sarcinii de tracţiune, iar porţiunea inferioară a CB este supusă la

compresiune şi poate să flambeze.

În continuare se consideră doar cele două solicitări principale: de

tracţiune, datorită greutăţii proprii aparente, şi de compresiune radială şi

circumferenţială, datorită presiunii exterioare a fluidului de foraj, puţul fiind

presupus vertical. Se admite, de asemenea, că avem de-a face cu o CB de

construcţie uniformă, adică alcătuită din burlane cu aceeaşi măsură a

grosimii de perete (sB = ct.) şi confecţionate din oţel de aceeaşi clasă de

rezistenţă (CB = ct.).

Fig. 1.11. Profilul coloanei de

burlane (CB), determinat pe baza

celor două solicitări principale

[tracţiune, datorită greutăţii

proprii aparente (Ga), şi

compresiune circumferenţială şi

radială, datorită presiunii

hidrostatice exterioare (pe.f) a

fluidului de foraj din sondă]: DCB

− diametrul nominal al CB; LCB

− lungimea CB; H − adâncimea

la care se consideră secţiunea

transversală prin CB; σt −

tensiunea de tracţiune; σθ.M , σr.M

− tensiunea tangenţială,

respectiv, radială, maximă; i −

numărul de ordine al tronsonului

de burlane; Li–1 − distanţa la care

se află capătul superior al

tronsonului i faţă de capătul

superior al CB; Li − distanţa la

care se află capătul inferior al

tronsonului i faţă de capătul

superior al CB; li − lungimea

tronsonului i; sB.i − grosimea de

perete a burlanelor din tronsonul

i; CB.i − clasa de rezistenţă a

oţelului din care se

confecţionează burlanele din

tronsonul i; Di.m.CB − diametrul

interior minim al CB

27

Se presupune că s-a introdus în puţul forat o CB întreagă (deci, puţul

este tubat până la suprafaţă) şi are lungimea LCB = HCB.

Dacă se consideră o anumită secţiune transversală prin CB, aflată la

distanţa H faţă de capătul superior (vezi fig. 1.11), atunci greutatea în aer a

porţiunii de CB care se găseşte sub secţiunea respectivă este:

HLAgG CBBo ρ (1.19)

sau

HLAG CBBo γ , (1.20)

unde s-a folosit relaţia cunoscută dintre greutatea specifică γo şi densitatea

oţelului din care se confecţionează burlanele ρo (ρo = 7,85 t/m3). În

formulele de mai sus, AB este aria secţiunii transversale a corpului

burlanului, adică

22

4

πCB.iCBB DDA , (1.21)

Di.CB fiind diametrul interior al CB.

Deoarece CB este introdusă în puţul de foraj, plin cu fluid de foraj,

cu densitatea ρf, asupra ei acţionează forţa arhimedică FA, dată de formula:

fdfA VF γ

(1.22)

sau

fdfA VgF

ρ , (1.23)

care exprimă6 greutatea volumului de fluid de foraj dezlocuit (Vfd) de către

porţiunea considerată de CB, cu care se micşorează greutatea respectivă (G),

deci, care acţionează în sens invers acceleraţiei gravitaţionale ( g

).

Atunci, greutatea porţiunii de CB, de volum V, care se găseşte în

fluid de foraj, denumită greutate aparentă sau greutate în lichid, se

calculează cu relaţia vectorială:

fd

o

f

a GG δρ

ρ1

, (1.24)

în care δfd este raportul dintre volumul de fluid de foraj dezlocuit de

porţiunea considerată de CB şi volumul acestei porţiuni, adică

V

V fd

fd δ . (1.25)

Dacă CB este goală, ea având capătul de jos obturat (cu o valvă de plutuire)

în timpul introducerii în puţul forat, atunci volumul de fluid dezlocuit de

porţiunea de lungime (LCB – H) este

HLDV CBCBfd 2

4

π. (1.26)

În această situaţie, pentru CB de construcţie uniformă, se obţine

22

2

δCB.iCB

CBfd

DD

D

. (1.27)

6 Conform legii lui Arhimede, un corp greu, scufundat într-un lichid, devine mai uşor cu

greutatea volumului de lichid dezlocuit.

28

Deci,

1δ fd . (1.28)

Chiar în cazul coloanei de construcţie obişnuită, alcătuite din

tronsoane de burlane cu grosimea de perete diferită, şi, de asemenea, chiar

în cazul umplerii parţiale a CB, aşa cum, de altfel, se procedează în timpul

introducerii ei în sondă (vezi fig. 1.12), se îndeplineşte inegalitatea (1.28).

Numai în situaţia umplerii totale a CB cu fluid de foraj cu aceeaşi măsură a

densităţii ca şi fluidul din interiorul sondei este adevărată egalitatea:

Vfd = V

şi, ca urmare, δfd = 1. Astfel, în general, se poate scrie

1δ fd . (1.29)

Pentru ca o CB să poată fi introdusă în sondă, trebuie să fie

îndeplinită inegalitatea:

0δρ

ρ1 fd

o

f, (1.30)

adică aG

trebuie să aibă sensul lui G

(al acceleraţiei gravitaţionale g

).

Această inegalitate este echivalentă cu

f

ofd

ρ

ρδ , (1.31)

respectiv,

mm fd , (1.32)

în care mfd reprezintă masa de fluid de foraj dezlocuită de porţiunea de

lungime (LCB – H) a CB iar m – masa acestei porţiuni de coloană.

Fig. 1.12. Umplerea coloanei de burlane

(susţinute în broasca cu pene) cu fluid de

foraj

Deşi raportul ρf/ρo este

mic, totuşi raportul Vfd/V poate fi

mai mare în comparaţie cu el. De

aceea, inegalitatea (1.30) nu se

îndeplineşte întotdeauna, adică

există situaţii în care o CB, cu o

anumită construcţie, pluteşte în

fluidul de foraj din sondă şi

pentru a putea fi introdusă trebuie

să fie umplută, cel puţin parţial

(vezi fig. 1.12). Acest lucru

trebuie să se facă şi cu scopul de

a nu se produce turtirea

burlanelor datorită presiunii

hidrostatice exterioare a fluidului

de foraj din sondă. Din punctul de vedere al sarcinii de la cârlig, în timpul

tubării, umplerea parţială a CB este avantajoasă faţă de umplerea totală a ei

cu fluid de foraj.

29

Considerând situaţia reprezentată de expresia (1.30), se constată că

trebuie să existe inegalitatea următoare pentru CB de construcţie uniformă

pentru ca aceasta să poată fi introdusă în sondă:

o

f

CBCB.i DDρ

ρ1 . (1.33)

Observaţie. Să se deducă această relaţie!

Deci, trebuie să se ia măsuri ca să fie îndeplinită condiţia (1.30) în

timpul tubării puţului. Atunci, egalitatea (1.24) este adevărată şi sub forma

scalară:

fd

o

f

a GG δρ

ρ1 . (1.34)

Dacă σt este tensiunea de tracţiune care ia naştere în secţiunea

transversală a CB situată la distanţa H faţă de capătul ei superior,

B

at

A

Gσ , (1.35)

atunci, folosind expresia (1.34), a lui Ga, şi formula (1.20), a lui G, rezultă:

HLCBfd

o

f

ot

δ

ρ

ρ1γσ . (1.36)

Se obţine, astfel, o variaţie liniară, descrescătoare, a tensiunii de

tracţiune odată cu creşterea adâncimii H la care se află secţiunea considerată

(vezi fig. 1.11), tensiunea maximă σt.M luând naştere în secţiunea superioară

a CB (la H = 0),

CBfd

o

f

oM.t L

δ

ρ

ρ1γσ , (1.37)

iar tensiunea minimă σt.m, în secţiunea ei inferioară (la H = LCB),

0σ m.t . (1.38)

Dacă se ia în consideraţie presiunea hidrostatică exterioară a

fluidului de foraj din sondă (pHs.e.f), ca presiune exterioară (pe.f) care solicită

CB în secţiunea situată la adâncimea H, adică

Hgpp ff.e.Hsf.e ρ (1.39)

sau

Hp ff.e γ , (1.40)

atunci, în această secţiune, apar tensiuni radiale erσ şi circumferenţiale

eθσ

(vezi fig. 1.13), proporţionale cu pe.f, conform relaţiilor valabile pentru

tuburi cu pereţi groşi [1.6]:

f.eB.i

B.iB

Be

r pR

R

RR

R

2

2

22

2

1σ ; (1.41)

f.eB.i

B.iB

Be pR

R

RR

R

2

2

22

2

θ 1σ , (1.42)

30

unde RB este raza nominală (exterioară) a burlanului,

2

CBB.eB

DRR ; (1.43)

Ri.B − raza interioară a burlanului; R − raza curentă,

BB.i R,RR .

Fig. 1.13. Tensiunile care solicită un element infinitezimal din secţiunea transversală a

burlanului, considerat tub cu perete gros, şi distribuţia lor (în partea de jos a figurii), în

cazul în care burlanul este supus la presiune exterioară, datorită coloanei hidrostatice a

fluidului de foraj din sondă (pe.f): RB − raza exterioară a burlanului; Ri.B − raza interioară;

sB − grosimea peretelui; R − o rază oarecare a unui cerc din interiorul peretelui; θ − un

unghi măsurat faţă de axa Ox; erσ , e

θσ − tensiunea radială, respectiv, circumferenţială

Se notează

B

B

s

R (1.44)

sau

B

B

s

D

2 (1.45)

şi se denumeşte coeficientul de subţirime a burlanului. Atunci, relaţiile

(1.41) şi (1.42) devin:

f.e

B.ie

r pR

R

2

22

112

σ ; (1.46)

f.e

B.ie pR

R

2

22

θ 112

σ . (1.47)

Se constată că

0σθ e (1.48)

şi, de asemenea,

0σ e

r , (1.49)

deoarece

31

1R

R B.i , (1.50)

distribuţia tensiunilor pe grosimea peretelui fiind hiperbolică.

În fig. 1.13, în partea de jos, se arată variaţia tensiunilor Re

rσ şi Re

θσ într-o secţiune transversală a burlanului.

Din analiza relaţiilor (1.46) şi (1.47) şi a fig. 1.9, se constată că

există relaţiile:

f.eB

e

rB

e pRR σσθ ; B

e

B.i

e RR θθ σσ , (1.51)

solicitarea maximă a burlanului fiind în fibra de la marginea interioară a lui,

unde

0σσ e

m.rB.i

e

r R (1.51)

şi

e

M.B.i

e R θθ σσ , (1.52)

iar prin deplasarea spre interiorul burlanului, ambele tensiuni e

rσ şi e

θσ

fiind de compresiune, tensiunea echivalentă/ compusă se ameliorează. e

M.θσ are expresia următoare:

f.e

e

M. p

12

2σ

2

θ

sau

f.e

e

M. p,

50σ

2

θ , (1.53)

care se numeşte formula lui Lamé şi care este valabilă în domeniul

deformaţiilor elastice, adică pentru

p

e

M. σσθ , (1.54)

unde σp este tensiunea limită de proporţionalitate (cu deformaţia) a oţelului

din care se confecţionează burlanul.

Dacă burlanul este îndeajuns de subţire, astfel încât să se poată

neglija valoarea 0,5 în raport cu Λ, atunci relaţia (1.53) se transformă în

fe

e

M p .. , (1.55)

care reprezintă formula lui Bach-Barlow, valabilă pentru burlane

considerate ca tuburi cu pereţi subţiri.

Folosind relaţia (1.40), formula lui Lamé devine:

H,

f

e

M.

γ

50σ

2

θ , (1.56)

iar formula lui Bach-Barlow capătă forma:

Hf

e

M . . (1.57)

Ambele relaţii de mai sus, (1.56) şi (1.57), arată că tensiunea

circumferenţială maximă, datorită presiunii hidrostatice exterioare a

fluidului de foraj, creşte proporţional cu adâncimea la care se află secţiunea

transversală considerată a CB (vezi fig. 1.11).

32

Observaţii. 1) În conformitate cu [1.6], se consideră că un burlan

este tub cu perete gros dacă respectă condiţia

10,D

s

B.i

B , (1.58)

care este echivalentă cu

380,D

D

B

B.i , (1.59)

sau

6 . (1.60)

2) Analizând măsurile grosimii de perete, respectiv ale diametrului interior,

şi cele ale diametrului nominal (exterior) al burlanelor cu filet B, se constată

că toate burlanele, cu excepţia celor cu diametrul nominal de 5" şi diametrul

interior minim de 101,6 mm, nu satisfac condiţia (1.59), adică

380,D

D

B

B.i , (1.61)

ceea ce înseamnă că pot fi considerate tuburi cu pereţi subţiri.

3) Burlanele de 7⅝ in, cu filet L şi B, au grosimea maximă de perete de

15,86 mm, aşa încât diametrul interior minim este de 161,9 mm şi rezultă

100980 ,,D

s

B.m.i

M.B ,

ceea ce înseamnă că se încadrează în categoria tuburilor cu pereţi subţiri. De

asemenea, se obţine

6096 , .

Ca urmare, neglijând valoarea 0,5 în raport cu valoarea lui Λ în relaţia lui

Lamé, se constată că eroarea care se face în calcule este de 8,2%, care

reprezintă un procent destul de mare.

Observaţie. Să se justifice afirmaţiile de mai sus!

Având în vedere cele două legi de variaţie: σt = f (H) şi e

M.θσ = f (H),

date de (1.36) şi (1.56), respectiv de (1.57), se constată că avarierea CB

poate avea loc prin:

• cedarea îmbinării filetate a burlanului de la capătul superior al CB

(smulgerea din filet – vezi fig. 1.14 – sau ruperea cepului în dreptul ultimei

spire angajate în îmbinare), din cauza tensiunii maxime de tracţiune datorate

greutăţii proprii aparente maxime;

• turtirea („păpuşarea”) burlanului de la partea inferioară a CB, din

cauza tensiunii circumferenţiale maxime datorate presiunii hidrostatice

maxime.

Turtirea („păpuşarea”) burlanului se produce atunci când presiunea

exterioară care acţionează asupra burlanului ajunge la presiunea critică.

Forma de deformaţie a burlanului este diferită, aşa cum se arată în fig. 1.15

(cu doi, trei sau patru lobi, în cazul turtirii parţiale) şi fig. 1.16 (formă de

copaie sau aplatisată, în cazul turtirii totale/ complete).

Presiunea critică de turtire se determină cu relaţii de calcul

diferenţiate în funcţie de domeniul în care se produce turtirea burlanului

(elastic, „de tranziţie”, elasto-plastic, şi plastic – la atingerea limitei de

33

curgere la suprafaţa interioară a burlanului), de abaterile dimensionale şi de

formă, de tensiunile remanente etc. (vezi şi [1.5]).

Linia iniţială a vârfurilor filetului

Vârfurile filetului după gâtuirea ţevii

a b

Fig. 1.14. Modul în care se produce smulgerea din filet (a) şi zona deformată a cepului după

ce s-a produs acest fenomen (b)

Fig. 1.15. Forme de turtire parţială, cu doi, trei sau patru lobi

Fig. 1.16. Forme de turtire completă a burlanului: de copaie (în stânga)

şi aplatisată (în dreapta)

Metodologia de calcul a API cuprinde formule distincte pentru

calculul presiunii critice de turtire pentru cele patru domenii, puse în

evidenţă prin valorile raportului DB/sB ale burlanelor din fiecare clasă de

rezistenţă.

Presiunea (critică) de turtire (pcr) reprezintă cea mai mică măsură

dintre cele ale presiunii critice corespunzătoare celor patru domenii de

comportare a materialului burlanului. Între cele două secţiuni (din partea superioară şi din cea inferioară)

ale CB, tensiunile rezultante sunt mai puţin periculoase. Bineînţeles că nu

este economic să se aleagă un oţel dintr-o clasă de rezistenţă şi o măsură a

grosimii de perete care să facă faţă celei mai mari solicitări. De aceea,

pentru a obţine un profil economic, CB trebuie să fie tronsonată. Modul de

tronsonare este arătat de distribuţia de tensiuni din fig. 1.11. Astfel, se

alcătuieşte CB aşa încât la partea de jos să aibă tronsoane de burlane mai

rezistente (mai groase sau dintr-un oţel de calitate/ clasă de rezistenţă

superioară), pentru a rezista la presiunea exterioară a fluidului de foraj, apoi,

pe măsura îndepărtării de capătul de jos, presiunea devenind mai mică, se

întrebuinţează tronsoane de burlane mai puţin rezistente, până ce, tensiunea

34

de tracţiune datorită lui Ga crescând, se întăreşte CB cu tronsoane formate

din burlane din ce în ce mai rezistente. În această situaţie, solicitarea

periculoasă poate să nu mai apară la capetele CB, ci la trecerea de la un

tronson la altul (de la o grosime de burlan sau clasă de rezistenţă la alta) şi,

prin urmare, CB trebuie să fie calculată la tensiuni compuse (triaxiale:

axiale, circumferenţiale şi radiale).

Calculul de rezistenţă şi de stabilitate al CB şi determinarea

caracteristicilor de rezistenţă ale burlanelor se desfăşoară pe baza

metodologiei propuse de API [1.7]. În România, calculul burlanelor este

abordat pe baza lucrării [1.8] (Normativ pentru calculul burlanelor şi

întocmirea diagramelor de tubaj, elaborat de I.C.P.P.G. Câmpina).

1.5. Capul de sondă

Capul de sondă („Wellhead”, în lb. en.) este echipamentul de la gura

sondei utilizat pentru suspendarea coloanelor de burlane (CB) şi a

tubingului („tubing”, în lb. en.)/ coloanei de ţevi de extracţie (C.TE) şi

pentru a menţine controlul de suprafaţă al sondei, respectiv pentru a realiza

etanşarea gurii sondei, în timpul forajului, după fiecare operaţie de tubare, şi

în timpul extracţiei. El este format din elemente, denumite generic fitinguri7

şi armături8, confecţionate prin turnare sau forjare, uzinate şi montate astfel

încât să asigure o etanşare sigură a sondei, împiedicând erupţia fluidelor din

sondă sau scurgerea lor la suprafaţă, prin spaţiile inelare, şi controlul

presiunii din sondă (din spaţiile inelare şi interiorul coloanelor).

Capul de sondă este format din:

● capul de coloane („casing head”, în lb. en.);

● capul de tubing („tubing head”, în lb. en.)/ dispozitivul de

suspendare a tubingului.

În fig. 1.17 se arată schema unui cap de sondă de presiune mare, cu

fixarea a trei coloane şi a tubingului. Plecând de la partea inferioară, în

ordinea în care se montează pentru fiecare CB, el este format din: o flanşă

cu mufă (2), o flanşă dublă (7) şi capul de tubing (12). Cele două flanşe,

împreună cu elementele din interiorul lor şi armăturile respective, formează

capul de coloane.

Flanşa cu mufă („casing head housing”, în lb. en.) se execută în

două variante d.p.d.v. al legăturii cu CA/S (vezi [1.14]): cu filet mufă sau cu

legătură pentru sudare. Flanşa cu mufă („casing head housing”, în lb. en.) se

înfiletează în burlanul superior al CA/S (1). Ea se fixează prin nişte nervuri

sudate de o placă de bază care se prinde prin prezoane de fundaţia de la baza

beciului instalaţiei de foraj. În această flanşă se suspendă CI (3), prin

intermediul unui agăţător de coloană (4), care are la partea superioară un

ansamblu de etanşare primară a CI (5). Acest ansamblu, notat cu 5,

7 Fiting = Piesă de legătură tubulară cu ajutorul căreia se poate face o prelungire, o

schimbare de direcţie, o derivaţie etc. la conductele metalice pentru fluide, la armături etc.

(Cf. Dicţionar explicativ al limbii române, Editura Academiei Române) 8 Armătură = Totalitatea dispozitivelor/ aparatelor de control, de comandă şi de siguranţă,

montate la o instalaţie (robinete, supape, manometre etc.) (Cf. Dicţionar explicativ al limbii

române, Editura Academiei Române)

35

etanşează CI faţă de presiunea din spatele ei. Agăţătorul de coloană este

format dintr-un ansamblu de pene (bacuri), prevăzute cu dinţi durificaţi, de

exemplu, prin cementare şi călire. Flanşa cu mufă se diferenţiază în funcţie

de presiunea nominală (14 MPa, 21 MPa, 35 MPa şi 70 MPa), dimensiunea

nominală (71/16 in ÷ 21¼ in), diametrul interior de trecere (6 in ÷ 18

15/16 in)

şi înălţimea (360 mm ÷ 500 mm), burlanele pe care se fixează având

diametrul nominal cuprins între 6⅝ in şi 20 in, iar burlanele care se

suspendă fiind de 4½ in până la 13⅜ in (cf. [1.14]).

Fig. 1.17. Ansamblu tipic de cap de sondă pentru trei coloane: 1 – coloană de suprafaţă/

ancorare (CS/ A); 2 – flanşă cu mufă; 3 – coloană intermediară (CI); 4 – agăţător de

coloană; 5 – ansamblu de etanşare primară (pentru CI); 6 – ansamblu de etanşare secundară

(pentru CI); 7 – flanşă dublă; 8 – coloană de exploatare (CE); 9 – agăţător de coloană; 10 –

ansamblu de etanşare primară (pentru CE); 11 – garnitură inelară ; 12 – cap de tubing; 13 –

ansamblu de etanşare secundară (pentru CE); 14 – ghidaj de sapă; 15 – tubing/ coloană de

ţevi de extracţie (C.TE); 16 – agăţător de tubing; 17 – manometru de măsurare a presiunii în

spaţiul inelar (dintre coloane); 18 – robinet de închidere paralel

Flanşa dublă/ mosorul de coloană („casing head spool”, în lb. en.)

se fixează de flanşa cu mufă cu ajutorul unor şuruburi şi piuliţe. Etanşarea

dintre ele se realizează cu o garnitură inelară (11). În interiorul flanşei duble,

la partea inferioară, se găseşte ansamblul de etanşare secundară a CI (6) şi

un ghidaj de sapă. Ansamblul de etanşare secundară a CI împiedică

pătrunderea presiunii din coloană în spaţiul dintre flanşe, uşurând sarcina

inelului metalic şi a şuruburilor de prindere, protejând, totodată, acestă parte

de acţiunea corozivă a fluidului din puţ. Ghidajul de sapă are rolul de a

ghida sapa în burlan fără să deterioreze sapa sau capătul burlanului. Flanşa

dublă suspendă CE (8) prin intermediul agăţătorului de coloană (9),

prevăzut cu ansamblul de etanşare primară a CE (10). Flanşa dublă poate să

fie „egală” sau redusă şi se caracterizează prin diametrul nominal al flanşei

inferioare şi presiunea nominală a ei, prin diametrul nominal al flanşei

36

superioare şi presiunea nominală a acesteia, diametrul interior de trecere,

diametrul nominal al burlanelor care se suspendă şi înălţimea (vezi [1.14]).

Dacă sonda are patru CB, atunci mai există o flanşă dublă în care se

suspendă CI(II), înaintea flanşei în care se suspendă CE.

Deasupra flanşei duble se montează capul de tubing sau dispozitivul

de suspendare a tubingului/ C.TE (12), utilizând o garnitură inelară (11) şi

şuruburi de fixare cu piuliţe. Capul de tubing este format dintr-o flanşă

dublă pentru cap de tubing (12), un agăţător-dorn (16) şi o flanşă adapter,

numită bonetă, montată deasupra flanşei duble. La partea inferioară a flanşei

duble există ansamblul de etanşare secundară a CE (13) şi ghidajul sapei

(14). În flanşă se suspendă C.TE (15) prin înfiletarea ei în agăţătorul-dorn

(16). Flanşa dublă are două deschideri laterale, de comunicare cu spaţiul

inelar dintre CE şi C.TE: la una se racordează un ventil, un manometru (17),

încadrat de două robinete (de manometru), şi la cealaltă se montează un

ventil/ robinet de închidere paralel (18). Tubingul/ C.TE permite extracţia

petrolului sau gazelor prin interiorul ei.

Capetele de sondă sunt realizate sub forma unor ansambluri pentru a

susţine una, două, trei, patru sau, chiar, cinci coloane.

Tipul de cap de sondă este determinat de construcţia sondei,

condiţiile de mediu (terestru, marin, arctic etc.) şi de condiţiile de sondă,

respectiv tipul fluidului extras, agresivitatea lui, presiunea, temperatura etc.

De obicei, se realizează pentru material tubular cu măsuri cuprinse în

domeniul 2⅜ in ÷ 20 in şi pentru presiunea de 2 000 ÷ 10 000 psi9. Se

execută în următoarele variante:

● varianta standard, pentru medii necorozive;

● variantele H2S şi H2S + CO2 (conform NACE10

), pentru medii

corozive.

Capul de sondă greu/ de presiune mare este construit din fitinguri

grele, cu părţi proiectate pentru a menţine presiunea mai mare decât 20 000

psi, până la 30 000 psi (circa 207 MPa).

1.6. Instalaţia de prevenire a erupţiilor

În timpul operaţiei normale de foraj, presiunea hidrostatică, la orice

adâncime exercitată de coloana de fluid de foraj din interiorul sondei

depăşeşte presiunea exercitată de fluidele din formaţiunile geologice

străbătute. Astfel, este prevenită curgerea fluidelor din aceste formaţiuni în

sondă.

Dacă, totuşi, presiunea datorată fluidelor din formaţiunea geologică

depăşeşte presiunea hidrostatică a coloanei de noroi de foraj, atunci fluidul

din formaţiunea respectivă, fie apă, gaze sau petrol, poate ajunge în puţul

forat. Acest fenomen este cunoscut cu numele de amorsare a erupţiei.

Amorsarea erupţiei („Kicking of the well:/ „Kick” în lb. en.) se

defineşte ca un influx de fluid din formaţiune în interiorul puţului de foraj

care poate fi controlată la suprafaţă. Când această curgere a fluidului din

9 1 psi (pounds-force per square inch) ≡ 1 lbf/in

2 = 0,070307 kgf/cm

2 = 0,68947·10

-2 MPa.

10 NACE = National Association of Corrosion Engineers

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/k/kick.aspx

37

formaţiune devine necontrolabilă la suprafaţă, atunci amorsarea devine o

erupţie („blowout”, în lb. en.).

Pentru a preveni producerea unei erupţii, trebuie să existe o

modalitate de închidere sau obturare a sondei, astfel încât curgerea fluidului

din formaţiune să rămână sub control. Acest lucru este posibil cu un sistem

de prevenire a erupţiei [„Blowout Prevention (BOP) System”, în lb. en.],

adică un aranjament de prevenitoare, valve şi mosoare, care se montează la

capul de sondă. Acest aranjament este denumit, de obicei, ansamblu

(„stack”, în lb. en. = stivă) de prevenitoare de erupţie (An.Prev.E).

Instalaţia de prevenire a erupţiilor (I.Prev.E) reprezintă un

ansamblu de echipamente, din care face parte An.Prev.E şi nu numai,

utilizat pentru a închide sonda şi a permite echipei de lucru să controleze

amorsarea/pornirea erupţiei înainte ca ea să devină erupţie.

În literatura de specialitate engleză, această I.Prev.E este cunoscută

cu numele de „sistem de control al sondei” („Well Control System”, în lb.

en.).

Fig.1.18. Componenţa instalaţiei de prevenire a erupţiilor: 1 – prevenitor de erupţie

orizontal; 2 – prevenitor de erupţie vertical; 3 – flanşă dublă; 4 – manifold de erupţie; 5 -

instalaţie de acţionare; 6 – pupitru de comandă

An.Prev.E se montează la capul de sondă, după ce acesta este

realizat, adică după tubarea puţului de suprafaţă şi cimentarea coloanei

respective (CS).

I.Prev.E este alcătuită din (vezi fig. 1.18 şi 1.19):

manifoldul de noroi de pe platforma de lucru a IF („Rig Floor

Mud Manifold”, în lb. en.);

prevenitoarele de erupţie de interior („Inside BOPs”, în lb. en.);

An.Prev.E („BOP Stack”, în lb. en.);

unitatea de acţionare hidraulică („Hydraulic Power Unit”, în lb.

en.) şi acumulatoarele de prevenitoare de erupţie („BOP

Accumulators”, în lb. en.);

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/b/blowout.aspx

38

pupitrul de comandă a prevenitoarelor/pupitrul de comandă

principal („Master Control Panel”, în lb. en.)/ pupitrul de

comandă al sondorului-şef („Driller Control Panel”, în lb. en.);

pupitrul auxiliar de comandă de la distanţă şi grupul de baterii

(„Secondary/ Auxiliary Remote Control Panel and Battery Bank”

în lb. en.);

conductele de strangulare şi de „omorâre” a sondei şi valvele

(„Choke & Kill Lines and Valves”, în lb. en.);

manifoldul de strangulare şi „omorâre” („Choke & Kill

Manifold”, în lb. en.)/ manifoldul de erupţie;

separatorul de gaze-noroi („Mud-Gas Separator”, în lb. en.);

tancul de manevră („Trip Tank”, în lb. en.).

Fig.1.19. An.Prev.E, conductele de strangulare şi de „omorâre”, o parte din manifoldul

de erupţie (1) şi separatorul de gaze-noroi (2)

O serie de elemente componente ale I.Prev.E este ilustrată sugestiv

în fig. 1.18 şi 1.19.

An.Prev.E este construit în conformitate cu cerinţele specificate în

API Spec. 16A [1.15].

Fiecare prevenitor de erupţie cu bacuri trebuie să aibă o presiune

minimă de lucru egală cu presiunea maximă de suprafaţă anticipată.

Tabelul 1.5. Măsurile tipizate ale presiunii maxime de lucru (API RP 53 [1.16])

Clasa de presiune 2K 3K 5K 10K 15K 20K

pM

psi 2 000 3 000 5 000 10 000 15 000 20 000

MPa 13,8

(14)

20,7

(21)

34,5

(35)

69,0

(70)

103,5

(105)

138,0

(140)

Notă. 1 psi = 6,894757 kPa (cf. API RP 53 [1.16])

Elementele componente ale An.Prev.E se caracterizează prin

presiunea de lucru nominală („rated working pressure”, în lb. en.), care

39

reprezintă presiunea interioară maximă pentru care elementul respectiv este

proiectat/ construit, deci, la care este capabil să reziste.

Observaţie. Presiunea de lucru nominală nu trebuie să se confunde

cu presiunea de testare („test pressure”, în lb. en.).

Există 6 clase de presiune de lucru nominală, care sunt prezentate în

tabelul 1.5.

În tabelul 1.5, s-a notat cu K presiunea de lucru nominală de 1 000

psi.

Componentele An.Prev.E sunt caracterizate prin coduri. Codurile/

Simbolurile recomandate ale componentelor, cu care sunt desemnate/

nominalizate aranjamentele de An.Pre.E („BOP Stack Arrangements”, în lb.

en.), sunt prezentate în tabelul 1.6 (cf. API RP 53 [1.16]). Secvenţa tipică

pentru desemnarea elementelor componente ale An.Prev.E este de la capul

de sondă în sus. Astfel, un An.Prev.E poate fi identificat complet prin

semnul grafic de nominalizare reprezentat de:

clasa de presiune;

diametrul găurii de trecere („Throughbore Diameter”, în lb. en.),

exprimat în inches;

codurile/ simbolurile elementelor (cu secvenţa tipică) (vezi

tabelul 1.6).

De exemplu:

10K – 13⅝ – SRRA,

înseamnă un An.Prev.E cu presiunea nominală de 10 000 psi (69 MPa), cu

diametrul de trecere de 13⅝" şi aranjamentul arătat în fig. 1.20.

Tabelul 1.6. Codurile/Simbolurile elementelor componente principale ale An.Prev.E de

suprafaţă (pentru sondele terestre) (cf. API RP 53 [1.16])

Nr.

crt. Codul/Simbolul Elementul component al An.Prev.E

1 G Capul rotativ (Rotating Head)

2 A Prev.E de tipul inelar (Annular = A)

3 R

Prev.E de tipul simplu cu bacuri [Single Ram (= R) Type BOP],

cu un set de bacuri, fie de gol (Blank) (total), fie pentru prăjini

(for Pipe), în funcţie de preferinţa operatorului

4 Rd

Prev.E de tipul dublu cu bacuri [Double Ram (= Rd) Type BOP],

cu două seturi de bacuri, poziţionate în concordanţă cu alegerea

operatorului

5 Rt

Prev.E de tipul triplu cu bacuri [Triple Ram (= Rt) Type BOP],

cu trei seturi de bacuri, poziţionate în concordanţă cu alegerea

operatorului

6 S

Mosor de foraj [Drilling Spool (= S)], cu conectare laterală de

ieşire (Side Outlet Connection), pentru conductele de strangulare

şi de „omorâre” (Choke and Kill Lines)

7 K Presiunea de lucru nominală de 1 000 psi (1 Kilo ≡ 1 K)

Conductele de strangulare şi de „omorâre” pot fi conectate fie la

ieşirile laterale ale prevenitoarelor de erupţie (vezi fig. 1.20), fie la mosorul

de foraj („Drilling Spool”, în lb. en.) instalat sub cel puţin un Prev.E capabil

de închidere pe prăjinile de foraj. Utilizarea ieşirilor laterale ale Prev.E

reduce numărul de conexiuni ale ansamblului şi înălţimea totală a

An.Prev.E.

40

Totuşi, mosorul de foraj cu ieşiri laterale pentru conductele de

strangulare şi de „omorâre” este utilizat pentru a localiza eroziunea posibilă

în elementul/ mosorul cel mai ieftin şi pentru a permite un spaţiu

suplimentar între prevenitoare, cu scopul de a uşura desfăşurarea operaţiilor

de stripare11

(„stripping”, în lb. en.), săltare/ suspendare („hang off”, în lb.

en.) a garniturii de foraj şi/ sau de forfecare a prăjinii în timpul amorsării

erupţiei.

Fig. 1.20. Aranjament de An.Prev.E de suprafaţă de tipul S

*RRA

* *G

* *

* Mosorul de foraj şi amplasarea lui în ansamblul de prevenitoare sunt opţionale

** Prevenitorul de erupţie inelar A şi capul rotativ G pot fi cu o presiune de lucru

nominală inferioară şi pot fi instalate pe orice aranjament

Componenţa instalaţiilor de prevenire a erupţiilor poate fi foarte

variată, fiind caracterizată prin diferiţi parametri constructivi şi funcţionali.

11

Stripare („stripping”, în lb. en.) (vezi [1.17]) este operaţia de introducere a garniturii de

foraj (drillpipe) în sondă în situaţia în care Prev.E sunt închise şi sonda este sub presiune.

Aceasta este necesară când se produce amorsarea erupţiei, deoarece operaţia de „omorâre”

(„kill operation”, în lb. en.) a sondei trebuie să se desfăşoare întotdeauna cu garnitura de

foraj pe talpă şi nu ridicată undeva în gaura de foraj. Dacă a fost închis numai Prev.E inelar

(„annular BOP”, în lb. en.)/ vertical, atunci garnitura de foraj poate fi coborâtă uşor şi cu

grijă în sondă şi acest prevenitor se va deschide uşor pentru a permite racordurilor speciale

de diametru mai mare să treacă prin el. Dacă sonda a fost închisă folosind prevenitoarele

orizontale (care sunt cu bacuri), atunci racordurile speciale nu pot trece prin bacurile

închise. În această situaţie, în timp ce se păstrează închisă sonda fie cu un alt bac, fie cu

prevenitorul inelar, bacul trebuie deschis manual apoi prăjina este coborâtă până ce racordul

special ajunge sub bac şi, după aceea, bacul este iarăşi închis. Această procedură se repetă

de câte ori un racord special trece printr-un bac de Prev.E orizontal. Echipelor de lucru ale

instalaţiei de foraj li se cere să practice operaţiile de stripare bac cu bac şi bac cu inelar

(„ram-to-ram and ram-to-annular stripping operations”, în lb. en.), ca parte a certificării lor

de control al sondei (well control, în lb. en.).

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/d/drillpipe.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/k/kill.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/a/annular_bop.aspx

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms/w/well_control.aspx

41

Baza clasificării instalaţiilor de prevenire o constituie presiunea

maximă de lucru care este tipizată conform tabelului 1.7.

În principiu, presiunea maximă de lucru a elementelor componente

ale instalaţiei de prevenire a erupţiilor trebuie să fie mai mare decât:

presiunea maximă care se poate dezvolta la suprafaţă, presiunea interioară

de spargere a coloanei de burlane şi, respectiv, presiunea de fracturare a

formaţiunii de la şiul coloanei.

Adâncimea maximă de utilizare a prevenitoarelor (HM) în funcţie de

presiunea maximă de lucru (pM) şi gradientul de presiune este prezentată în

tabelul 1.7.

Tabelul 1.7. Adâncimea maximă (HM) de utilizare a

prevenitoarelor în funcţie de presiunea de lucru (pM) şi

de gradientul de presiune

Presiunea de

lucru (pM),

bar

Adâncimea (HM), în m,

pentru

Gradientul de

0,203 bar/m

Gradientul de

0,158 bar/m

140 680 890

210 1020 1330

350 1700 2220

700 3400 4430

1050 5150 6650

1400 6900 8860

O altă mărime importantă a prevenitoarelor de erupţie este secţiunea

de trecere, caracterizată prin diametrul acesteia. Diametrul secţiunii de

trecere a teului de evacuare a fluidului, a prevenitorului, a mosoarelor şi a

flanşei duble determină diametrul maxim al dispozitivului de agăţat coloana,

al sapelor de foraj şi al altor scule care pot trece prin întregul echipament.

Dimensiunea nominală a prevenitorului este o altă mărime care,

împreună cu presiunea nominală, defineşte flanşele de racordare ale

acestuia.

Prevenitoarele de erupţie pot fi clasificate după mai multe criterii,

cele mai importante fiind următoarele:

1) direcţia de deplasare a bacurilor:

orizontale;

verticale;

2) modul de acţionare a bacurilor:

mecanice;

hidraulice;

combinate;

manuale;

3) forma bacurilor:

plate;

cilindrice;

inelare;

tubulare;

4) numărul dispozitivelor de închidere:

simple;

duble;

42

triple;

5) modul de racordare:

cu flanşe în corp;

cu flanşe exterioare;

cu cep sau mufă filetată;

cu brăţară;

6) posibilitatea de rotire a bacurilor împreună cu garnitura de foraj:

normale;

rotative;

7) destinaţie:

pentru foraj-extracţie;

pentru alte operaţiuni.

Prevenitoarele de erupţie orizontale, cunoscute în literatura de

specialitate de limbă engleză sub denumirea de prevenitoare de erupţie cu

bacuri („Ram Blowout Preventers”, în lb. en.), au corpul executat din oţel

slab aliat, forjat, şi sunt destinate funcţionării cu fluide de foraj pe bază de

apă sau produse petroliere, cu temperatura maximă a fluidului de 212 °F

(100 °C). Prevenitoarele de erupţie orizontale sunt „duble”, adică corpul

prevenitorului este prevăzut cu două dispozitive de închidere. De regulă,

dispozitivul de închidere superior este echipat cu bacuri pentru închidere

totală.

În fig. 1.21 este prezentată componenţa unui prevenitor de erupţie

orizontal, considerat ca tip reprezentativ. Elementele sale componente,

modificate din punct de vedere constructiv, se întâlnesc şi la celelalte tipuri

de prevenitoare.

Fig. 1.21. Prevenitor de erupţie orizontal: 1 – corp; 2 – ansamblul capacului; 3 – ansamblul

bacului

În corpul prevenitorului (1) (vezi fig. 1.21), sunt prelucrate locaşe de

formă ovală în care intră cele patru bacuri, două bacuri pentru închiderea pe

materialul tubular care trece prin prevenitor (3), şi două pentru închiderea

totală. În etajul de sus al prevenitorului, se montează bacurile cu gaura

pentru trecerea materialului tubular iar în etajul de jos se montează bacurile

pentru închiderea totală a gurii sondei. Prevenitoarele sunt prevăzute la

partea superioară şi inferioară cu flanşe de racordare, înglobate în corp şi cu

câte 2 ieşiri laterale, flanşate sub fiecare bac.

43

Bacurile pentru închiderea pe materialul tubular au gaura de trecere

de diverse dimensiuni. Astfel, în funcţie de dimensiunea materialului tubular

care trece prin prevenitor, acestea pot avea următoarele dimensiuni ale

găurii de trecere: 2⅞", 3", 3½ ", 4", 4½", 5", 5½" şi 7".

În funcţie de mediul de lucru, prevenitoarele de erupţie orizontale se

execută în 2 variante, aşa cum se precizează în tabelul 1.8.

Tabelul 1.8. Variante de execuţie a prevenitoarelor orizontale, în funcţie de mediul de lucru

Varianta de

execuţie Mediul de lucru

TRIM

STANDARD

Fluide de foraj pe bază de apă sau produse petroliere, cu

temperatuara maximă de 212°F (100°C)

TRIM

NACE*

Fluide de foraj pe bază de apă sau produse petroliere, cu

conţinut de H2S, conform NACE-MR-01.75-cl.a IlI-a, cu

temperatuara maximă de 212°F (100°C)

Constructiv şi dimensional, prevenitoarele în varianta TRIM NACE

sunt identice cu cele realizate în varianta TRIM STANDARD, cu diferenţa

că materialele pieselor metalice udate de fluidul de lucru sunt materiale

speciale, supuse unor tratamente termice speciale, care să asigure o duritate

de maximum 22 HRC. Garniturile din cauciuc, în contact cu fluidul de

lucru, sunt realizate dintr-un cauciuc rezistent la produse petroliere cu

conţinut de H2S.

Prevenitoarele sunt prevăzute cu canale pentru inelele metalice de

etanşare, placate cu oţel inoxidabil, pentru varianta STANDARD, şi cu

aliaje speciale de tipul INCONEL, pentru varianta NACE.

Durata de exploatare a pieselor din cauciuc este condiţionată de

conţinutul de H2S şi de temperatură iar prevenitoarele sunt supuse la teste

periodice, conform API RP53, pentru a avea siguranţă în exploatare.

Prevenitoarele de erupţie orizontale au bacuri care execută o mişcare

de translaţie orizontală, în cursul manevrelor de închidere-deschidere.

Aceste prevenitoare sunt foarte răspândite şi sunt realizate într-o gamă

foarte largă de tipodimensiuni. Există prevenitoare simple, duble şi triple; cu

bacuri având forma plată, cilindrică, cu secţiune rotundă sau ovală. La

prevenitoarele submarine, acţionarea bacurilor se face hidraulic.

Energia hidraulică necesară funcţionării prevenitoarelor de erupţie

este preluată de la instalaţiile de comandă hidraulică, care asigură

producerea, acumularea şi distribuţia energiei hidraulice, în vederea

acţionării independente a dispozitivelor de închidere.

Legăturile hidraulice între subansamblele componente sunt realizate

prin conducte.

Închiderea bacurilor prin acţionare hidraulică se efectuează

acţionând maneta distribuitorului de la pupitrul de comandă sau de la grupul

de presiune al comenzii hidraulice, în pozitia «ÎNCHIS». În acest moment,

fluidul de acţionare sub presiune, din conducta de alimentare a

prevenitorului, intră în camerele de închidere ale acţionării (zona superioară

a pistonului de acţionare). Simultan, fluidul din camerele de deschidere

(zona inferioară a pistonului de acţionare), trece prin conducta de scurgere

spre rezervor, iar bacurile se deplasează în poziţia «închis».

44

Deschiderea bacurilor prin acţionare hidraulică se efectuează


de presiune al comenzii hidraulice, în pozitia «DESCHIS». În momentul

acesta, fluidul de acţionare sub presiune, din conducta de alimentare a

prevenitorului, intră în camerele de deschidere ale acţionării (zona inferioară

a pistonului de acţionare). Simultan, fluidul din camerele de închidere (zona

superioară a pistonului de acţionare) trece prin conducta de scurgere spre

rezervor, iar bacurile se deplasează în poziţia «deschis».

Prevenitoarele de erupţie verticale, numite şi prevenitoare inelare

(„Annular Blowout Preventers”, în lb. en.), sunt echipamente de închidere

montate la gura sondei, având ca funcţie evitarea erupţiilor libere în cursul

forajului sau al operaţiilor de pregătire a sondelor pentru exploatare.

În acest scop, prevenitoarele de erupţie verticale sunt echipate cu un

bac inelar ce asigură efectuarea următoarelor operaţiuni:

închiderea spaţiului inelar dintre coloana de burlane pe care sunt

montate şi suprafaţa cilindrică exterioară a prăjinilor de foraj,

ţevilor de extracţie sau a burlanelor;

închiderea totală a gurii sondei, atunci când prăjinile de foraj sau

ţevile de extracţie sunt extrase din puţ;

etanşarea Gar.F pe perioada manevrării acesteia, dacă sistemul

de control hidraulic este prevăzut cu dispozitiv propriu de

control.

Prin bacul inelar cu care sunt echipate, prevenitoarele de erupţie

verticale pot realiza închiderea pe orice fel de suprafeţe, cum sunt cele ale

racordurilor speciale ale prăjinilor de foraj, ale reducţiilor de legătură, pe

mufele burlanelor sau ţevilor de extracţie etc. Prin această caracteristică,

prevenitoarele inelare se deosebesc de prevenitoarele orizontale, care nu pot

realiza închiderea decât pe suprafeţe cilindrice.

Fig. 1.22. Componenţa prevenitorului de erupţie vertical: 1 – corp; 2 – pachet etanşare;

3 – piston;4 – felinar; 5 – pachet etanşare; 6 – inel intermediar; 7 – cuţit; 8 - capac; 9 –

placă de uzură;10 – inel “O”; 11 – şurub de blocare; 12 – şurub special; 13 - pachet

etanşare; 14 – bac inelar

45

În fig. 1.22 se prezintă componenţa prevenitorului vertical/ inelar.

Prevenitoarele de erupţie verticale (vezi fig. 1.22) au corpul (1) din

oţel slab aliat, turnat, fiind destinate funcţionării cu fluide de foraj pe bază

de apă sau produse petroliere, cu temperatura maximă a fluidului de 212°F

(100°C). La partea inferioară, corpul este prevăzut cu o flanşă de legătură.

La partea superioară, flanşa de legătură înglobată în capacul prevenitorului

(8).

Elementele de acţionare hidraulică se găsesc în interiorul

prevenitorului şi sunt reprezentate de 2 cilindrii de acţionare, prelucraţi în

corpul prevenitorului şi un piston (3), cu 3 zone de ghidare, 2 în corp şi una

în capac. Pistonul este cel care delimitează cele 2 camere de acţionare

hidraulică, una pentru închiderea bacului inelar iar cealaltă pentru

deschiderea bacului. Bacul (14) este acţionat în sensul închiderii/ deschiderii

prevenitorului, cu ajutorul presiunii fluidului hidraulic de acţionare şi a unui

piston cu dublu efect. Intrarea/ Ieşirea fluidului hidraulic se face prin

porturile, de pe corpul prevenitorului, marcate cu «OPEN», respectiv

«CLOSE», care se racordează la instalaţia de comandă hidraulică.

Fig. 1.23. Bac inelar

Bacul inelar (vezi fig. 1.23) sau unitatea de etanşare („Packing

Unit”, în lb. en.) poate asigura închiderea pe materialul tubular care intră în

sondă, precum şi etanşarea totală, chiar dacă prin interior nu trece material

tubular.

Bacul inelar are o formă toroidală şi este confecţionat din material

elastomer. Pentru a consolida materialul elastomer, se introduc în el

elemente de diferite forme, confecţionate din material metalic. Aceste

elemente împiedică extrudarea materialului elastomer atunci când se aplică

presiunea din sondă la partea de jos a bacului.

Închiderea bacului prin acţionare hidraulică se efectuează acţionând

maneta distribuitorului de la pupitrul de comandă sau de la grupul de

presiune al comenzii hidraulice, în pozitia «ÎNCHIS». În acest moment,

fluidul de acţionare sub presiune, din conducta de alimentare a

prevenitorului, intră în camera de închidere a acţionării (zona inferioară a

pistonului de acţionare). Simultan, fluidul din camera de deschidere (zona

superioară a pistonului de acţionare) trece prin conducta de scurgere spre

rezervor, iar bacul se deplasează în poziţia «închis».

46

Deschiderea bacului prin acţionare hidraulică se efectuează


de presiune al comenzii hidraulice, în poziţia «DESCHIS». Astfel, fluidul de

acţionare sub presiune, din conducta de alimentare a prevenitorului, intră în

camera de deschidere a acţionării (zona superioară a pistonului de

acţionare). În acelaşi timp, fluidul din camera de închidere (zona inferioară a

pistonului de acţionare) trece prin conducta de scurgere spre rezervor, iar

bacul se deplasează în poziţia «deschis».

În legătură cu prevenitoarele de erupţie, inclusiv cele submarine, pot

fi vizionate filmele video:

„BOP” (http://www.youtube.com/watch?v=2dE5znqt7qs);

„Oil & Gas Surface BOP Equipment”

(http://www.youtube.com/watch?v=qJqzDSm2t-4);

„2-3- Basic BOP equipment”

(http://www.youtube.com/watch?v=q92gfQlJk5Mhttp://www.youtube.com/

watch?featur);

„2-4- Subsea BOP equipment”

(http://www.youtube.com/watch?v=E339HLGwl6M).

De asemenea, mai multe filme despre An.Prev.E pot fi vizionate pe

site-ul: „Subiect-Blowout Preventer”, care poate fi accesat cu link-ul

http://www.youtube.com/channel/HCvO9PisGYw6s.

1.7. Rezumat

Capitolul 1 reprezintă o introducere în construcţia sondei de foraj

(Sd.F).

Astfel, este definită Sd.F, sunt trecute în revistă etapele

premergătoare exploatării unui zăcământ de petrol sau gaze şi sunt

prezentate cele trei operaţii principale cu ajutorul cărora se realizează sonda:

forajul puţului, tubarea acestuia şi cimentarea coloanei de burlane cu care s-

a făcut tubarea. De asemenea, se prezintă metoda de foraj cea mai utilizată

la ora actuală: metoda de foraj rotativ-hidraulică, cunoscută şi sub numele

de metoda „rotary”. Apoi, se arată profilul Sd.F, cu denumirile coloanelor

respective, în ordinea în care sunt introduse şi în concordanţă cu funcţiile pe

care le au în alcătuirea sondei. Se face o comparaţie între sonda

convenţională, de diametru normal, şi sonda îngustă, de diametru mic,

punând în evidenţă avantajele celei din urmă.

Sunt definite mărimile prin care se apreciază reuşita operaţiilor de

tubare a puţului şi de cimentare a coloanei de burlane: spaţiul inelar, raţia

spaţiului inelar şi coeficientul de spaţiu inelar şi sunt prezentate măsurile

recomandate ale acestor mărimi în funcţie de măsurile diametrului nominal

al coloanei.

Construcţia burlanului şi tipurile de burlane utilizate pentru

coloanele ce echipează Sd.F fac obiectul unui subcapitol special, unde se

arată semnul grafic de nominalizare a gradului oţelului din care se

confecţionează burlanele, se caracterizează tipurile de îmbinări filetate şi

filete ale burlanelor şi se indică semnul grafic de nominalizare a burlanului,

în conformitate cu standardul românesc.

http://www.youtube.com/watch?v=2dE5znqt7qs

http://www.youtube.com/watch?v=qJqzDSm2t-4

http://www.youtube.com/watch?v=q92gfQlJk5Mhttp://www.youtube.com/watch?featur

http://www.youtube.com/watch?v=q92gfQlJk5Mhttp://www.youtube.com/watch?featur

http://www.youtube.com/watch?v=E339HLGwl6M

http://www.youtube.com/channel/HCvO9PisGYw6s

47

Profilul, respectiv structura coloanei de burlane (CB), se determină

în funcţie de cele două solicitări principale: tracţiune, datorită greutăţii

proprii aparente (adică a greutăţii în fluid de foraj) a coloanei, şi

compresiune circumferenţială şi radială, din cauza presiunii hidrostatice

exterioare a fluidului de foraj din puţul forat. Se demonstrează cum trebuie

să se introducă CB d.p.d.v. al gradului de umplere cu fluid de foraj. Se

prezintă şi se ilustrează modalităţile de avariere a burlanelor: prin cedarea

îmbinării filetate, la partea superioară a CB, şi prin turtirea („păpuşarea”)

burlanelor de la partea inferioară a coloanei.

Echipamentul de la gura sondei este reprezentat de capul de sondă şi

ansamblul de prevenitoare de erupţie. Astfel, se prezintă construcţia capului

de sondă şi, în continuare, instalaţia de prevenire a erupţiilor, căreia i se

acordă o atenţie deosebită, având în vedere importanţa pe care o are aceasta

pentru menţinerea în condiţii de siguranţă a sondei, în timpul operaţiilor

efectuate pentru construirea ei.

1.8. Aplicaţii

Aplicaţia 1.1 (A.1.1). Să se studieze construcţia Sondei 78 Runcu, al

cărei profil este reprezentat în fig. A1.1.1! Programul de construcţie a sondei

este prezentat în tabelele A1.1.1 şi A1.1.2.

Rezolvare

Se constată că denumirea unei sonde este reprezentată de un număr

de ordine, însoţit de numele structurii geologice în care se realizează.

Numele structurii geologice este cel corespunzător localităţii/ zonei pe

teritoriul căreia se află amplasamentul ei. În cazul studiat este vorba despre

Sonda 78 Runcu.

Caracterul Sondei 78 Runcu este de exploatare a petrolului dintr-un

zăcământ, format din roci consolidate, de tărie medie (M) şi abrazive (A),

conform tipului de sapă aleasă pentru forajul puţului de exploatare (vezi

tabelul A.1.1.2). Astfel, coloana de exploatare (CE) se introduce cu şiul fixat

în acoperişul stratului productiv, la adâncimea maximă (HM) de 4 000 m.

Observaţie. Dacă stratul productiv (Str.Pr) este alcătuit din roci

neconsolidate, atunci CE se fixează cu şiul la baza acestuia.

Debitul zăcământului este estimat la cca. 45 t/24 h, ceea ce

corespunde utilizării unei CE cu diametrul nominal de 5 in (vezi tabelul

1.1).

În conformitate cu studiile geologice realizate în zonă şi cu sondele

de corelare, forate anterior (de exemplu, Sonda 59 Runcu, Sonda 77 Runcu

şi Sonda 77bis Runcu), structura traversată impune folosirea a patru coloane

de burlane. Nu este nevoie de o coloană de ghidare, datorită faptului că solul

este compact. În intervalul de cca. 1 485 m ÷ 1 530 m este traversat un

zăcământ de gaze, ceea ce determină utilizarea unei coloane intermediare I,

CI(I), cu burlane cu filet Buttress (B), pentru realizarea unei etanşări bune.

Coloanele sunt de tipul întregi, adică tubează puţurile forate până la

suprafaţă („la zi”), ceea ce înseamnă că

j.Tj.CBj.CB HHL , 41,j .

48

Coloana de

suprafaţă/

ancorare

Coloana

intermediară I

Coloana

intermediară II

Coloana de

exploatare

Zona cu

perforaţii

Fig. A.1.1.1. Profilul Sondei 78 Runcu

Adâncimea relativă de tubare se calculează cu relaţia (1.1), aşa încât

se obţin valorile concentrate în tabelul A.1.1.2.

Lungimea de săpare (Ls) se calculează cu expresia:

1 j.CBj.CBj.CBj.ss HHHLL , CBn...,,,j 2 1 .

Diametrul nominal al CB (DCB) este diametrul exterior al burlanelor

care o alcătuiesc (De.B = De.CB).

Măsura diametrului nominal al fiecărei CB, ca şi măsura diametrului

nominal al sapei utilizate pentru forajul fiecărui puţ se determină prin

„metoda de jos în sus”, plecând de la măsura impusă diametrului CE şi

folosind relaţiile şi consideraţiile prezentate în subcap. 1.2. În tabelul 1.2

sunt concentrate aceste măsuri, exprimate atât în in ≡ inch, cât şi în mm, pe

baza transformării: 1 in = 25,4 mm.

49

Tabelul A.1.1.1. Informaţii generale despre Sonda 78 Runcu

1 Sonda 78

2 Structura geologică Runcu

3 Caracter Exploatare petrol

4 Debit estimat cca. 45 t/24 h

5 Adâncimea proiectată (HM) 4000 m

6 Programul de tubare 20 in x 520 m; 13⅜ in x 1 600 m;

8⅝ in x 3 000m; 5 in x 4 000 m

7 Tipul instalaţiei de foraj F 200-2 DH

8 Durata de realizare • montare-demontare:

35 zile, pentru foraj;

4 zile, pentru probe;

• foraj: 86 zile;

• probe de producţie: 6 zile.

Tabelul A.1.1.2. Programul de construcţie a Sondei 78 Runcu

j

CB HCB.j

=

LCB.j,

m

Ls,

m

yT.j DCB.j,

in (mm)

Tip

burlane

şi ÎF

DM.CB.j,

mm

δCB.j,

mm

Sapă cu trei conuri Di.m.CB.j-1,

mm

δi.m.CB.j-1,

mm DS.Pj,

in

(mm)

Tipul

sapei

ÎFU-C

1 CS/A 520 520 0,13 20

(508)

API,

S

533,4 63,5 26

(660,4)

S-26 J 8⅝REG – –

2 CI(I) 1600 1080 0,40 13⅜

(339,73)

API,

B

365,1 39,7 17½

(444,5)

M-17½

DGJ

7⅝REG 485,74 20,62

3 CI(II) 3000 1400 0,75 8⅝

(219,08)

API,

L

244,5 25,25 11⅝

(295,3)

MA-

11⅝KGJ

6⅝REG 311,79 8,25

4 CE 4000 1000 1 5

(127)

API,

L

141,3 15,2 6¾

(171,5

MA-

6¾DGJ

3½REG 193,68 11,09

50

Tabelul A.1.1.3. Măsurile diametrului exterior al

mufei (DM.CB) pentru burlanele cu filete S, L şi B

DCB =DB,

in (mm)

DM.CB,

mm

S, L B, mufe

normale

B, mufe

speciale

4½ (114,3) 127,0 127,0 123,8

5 (127) 141,3 141,3 136,5

5½ (139,7) 153,7 153,7 149,2

6⅝ (168,3) 187,7 187,7 177,8

7 (177,8) 194,5 194,5 187,3

7⅝ (193,7) 215,9 215,9 206,4

8⅝ (219,1) 244,5 244,5 231,8

9⅝ (244,5) 269,9 269,9 257,1

10¾ (273,0) 298,4 298,4 285,7

11¾ (298,4) 323,8 323,8 –

12¾ (323,8) 351,0 – –

13⅜ (339,7) 365,1 365,1 –

16 (406,4) 431,8 – –

18⅝ (473,1) 498,5 – –

20 (508) 533,4 – –

Burlanele sunt construite după normele API şi au următoarele tipuri

de filete: S, pentru CS/A, B, pentru CI(I), şi L, pentru CI(II) şi CE.

Măsura diametrului mufei pentru fiecare coloană se preia din STAS

875-86, conform tabelului A.1.1.3.

Spaţiul inelar pentru fiecare CB, δCB.j, se calculează cu expresia de

definiţie.

Comparând măsurile obţinute prin calcul, concentrate în tabelul

A.1.1.2, cu cele recomandate δCB.r precizate în tabelul 1.2, se constată că

există o corespondenţă bună, cu excepţia CS/A, de 20 in, pentru care spaţiul

inelar are o măsură mai mare decât măsura maximă recomandată,

justificându-se acest lucru prin traversarea unor straturi de marne

hidratabile, care pot micşora spaţiul inelar.

Aplicaţia 1.2 (A.1.2). Să se aleagă sapa cu trei conuri care să fie

utilizată pentru forajul puţului de exploatare al Sondei 78 Runcu (vezi

Aplicaţia 1.1)!

Rezolvare

Conform studiilor geologice, informaţiilor de la sondele de corelare

şi, de asemenea, informaţiilor obţinute prin carotaj, depozitul de roci care

trebuie traversat este constituit din nisipuri presate şi gresii de tărie medie,

abrazive. Ca urmare, se alege o sapă cu trei role pentru roci medii-abrazive

(MA). Această sapă trebuie să foreze o gaură care să fie tubată cu o coloană

de 5 in = 127 mm. Pentru reuşita operaţiei de cimentare, se recomandă

(conform tabelului 1.2) un spaţiu inelar cu măsura:

δCE.r = 15 mm.

De asemenea, δCE se poate aprecia cu expresia de forma

CECE D ,120

şi se obţine

51

mm 15mm 5,241mm ,7127,120 CE .

Se constată că cele două măsuri sunt apropiate. Atunci, folosind expresia:

rCECEMPES DD ... 2 ,

rezultă:

mm 171,3mm 152mm 3141 ,.PESD .

Dar, sapa trebuie să treacă prin interiorul coloanei anterioare, de 8⅝″

(219,1 mm). Această coloană fiind introdusă la adâncimea de 3 000 m,

rezultă din diagrama de tubare că ultimul său tronson trebuie să fie alcătuit

din burlane cu grosimea maximă de perete de 12,7 mm. Deci, diametrul

interior minim al coloanei intermediare II (CI(II)), de 8⅝″, calculat cu

relaţia:

MBIICIIICImi sDD .)()(.. 2 ,

are măsura

mm. 193,7mm ,7122mm ,1219 )(.. IICImiD

Folosind STAS 328-86, se observă că se poate alege o sapă cu

diametrul nominal de 6¾″ (171,5 mm), cu ajutorul căreia se realizează

spaţiul inelar cu măsura recomandată, respectiv:

mm 115mm 141,3-mm 51712

1,, CE ,

şi care poate trece prin tronsonul cu diametrul interior minim al CI(II), jocul

interior minim, determinat cu relaţia

PESIICImiIICImi DD .)(..)(.. , 50 ,

are măsura

mm 111mm 5171mm 719350 ,,,,)(.. IICImi .

Deci, alegerea diametrului nominal al sapei s-a făcut corect.

În continuare, se alege varianta constructivă de sapă cu diametrul de

6¾″ necesară pentru roci MA. Astfel, din STAS 328-86, se alege varianta

DGJ, adică o sapă cu dinţi din oţel, având contraconul întărit şi prin ştifturi

din carburi metalice sinterizate (D), cu lagăre cu alunecare, etanşe (G), şi cu

spălare exterioară, cu fluid de foraj (cu jet) (J).

Aplicaţia 1.3 (A.1.3). Să se determine profilul/ structura coloanei de

exploatare (CE), a Sondei 78 Runcu, prezentată în Aplicaţia 1.1, folosind

diagrama de tubare şi să se calculeze greutatea în aer şi greutatea aparentă a

coloanei!

Rezolvare

În diagrama de tubare, pentru adâncimea de introducere a coloanei

de ordinul j (adâncimea de tubare a puţului de ordinul j, HT.j), se trasează o

linie verticală până ce aceasta intersectează linia reprezentată la unghiul de

45°, care determină chiar lungimea coloanei (lungimea de tubare a puţului),

LCB.j ≡ LT.j, care este egală cu HT.j. Linia verticală, trasată astfel, trece prin

mai multe domenii, fiecare dintre acestea aparţinând unor burlane cu o

anumită măsură a grosimii de perete (sB.i) şi confecţionate dintr-un oţel de o

anumită clasă de rezistenţă/ un anumit grad (CB.i). La intersecţiile liniei

52

verticale cu liniile de graniţă, ce delimitează fiecare domeniu (pentru

burlane cu sB.i şi CB.i), se obţin lungimile Li-1 şi Li, i = 1, 2, ..., nt.j, care

determină lungimea tronsonului respectiv de burlane lB.i, conform relaţiei:

1 iii.B LLl .

Astfel, sunt puse în evidenţă: numărul de trosoane de burlane din

care este alcătuită coloana respectivă, de ordinul j (nt.j), şi, de asemenea,

poziţia (Li-1 şi Li) şi caracteristicile fiecărui tronson de burlane (lB.i, sB.i, CB.i).

Datele obţinute în acest fel sunt concentrate într-un tabel de forma tabelului

A.1.3.1.

Cunoscând sB.i, din standardul de burlane STAS 875-86, se preia

masa unitară a burlanelor (considerate cu o mufă înfiletată la un capăt) din

fiecare tronson i, m1.B.i, i = 1, 2, ..., nt.j. Cu ajutorul ei se calculează greutatea

unitară a trosonului cu expresia:

gmq i.B.i.B 1 , j.tn,i ..., 2, 1 .

Apoi, se determină greutatea fiecărui tronson de burlane, folosind formula:

i.Bi.Bi.B lqG , j.tn,i ..., 2, 1 .

Tabelul A.1.3.1. Caracteristicile CI(II), de 8⅝ in, cu filet L, din componenţa

Sondei 78 Runcu

CB.3 ≡ CI(II); DCI(II) = 8⅝ in; tip ÎF: API, L; HT.3 = 3 000 m; ρf = 1,25 kg/dm3; nt.3 = 5

i 1 2 3 4 5

Li-1, m 0 690 1475 1900 2710

Li, m 690 1475 1900 2710 3000

lB.i, m 690 785 425 810 290

CB.i N80 J55 N80 N80 N80

sB.i, m 10,16 10,16 10,16 11,43 12,70

m1.B.i, kg/m 53,62 53,62 53,62 59,58 65,53

qB.i, N/m 526,012 526,012 526,012 584,480 642,849

GB..i, kN 362,948 412,920 223,555 473,429 186,426

GCB.3, kN 1659,278

Ga.CB.3, kN 1395,062

Cunoscând GB.i, i = 1, 2, ...,nt.j, se calculează greutatea CB respective

(de ordinul j = 3):

j.tn

ii.Bj.CB GG

1

.

Greutatea aparentă a CB (Ga.CB.3 ≡ Ga.CE) este greutatea acesteia în

fluidul de foraj din puţul în care se introduce şi se determină cu formula:

o

f

CECEa GG 1. .

Rezultă:

kN ,0621395,857

,2511kN 1659,278

CEaG . .

Cu datele obţinute, se alcătuieşte tabelul A.1.3.1.

Aplicaţia 1.4 (A.1.4). Se consideră tubarea unui puţ, în care se află

fluid de foraj cu densitatea de 1,3 t/m3, cu o CB de 11¾", cu grosimea de

53

perete (sB) de 12,4 mm. Să se precizeze cum poate fi introdusă CB în puţul

forat!

Rezolvare

Pentru a putea fi introdusă CB în puţul de foraj, pentru tubarea

acestuia, trebuie ca raportul dintre diametrul interior al CB şi diametrul

nominal al ei să respecte condiţia următoare [în conformitate cu relaţia

(1.33)]:

0,913452CB

CBi

D

D . .

Dacă CB este de 11¾", înseamnă că diametrul exterior are măsura:

DCB = 11¾" = 11,75·25,4 mm = 298,45 mm.

Diametrul interior se calculează cu expresia:

BCBCBi sDD 2. ,

şi rezultă măsura 273,65 mm.

Astfel, se obţine:

0,916904CB

CBi

D

D . .

Se constată că nu este satisfăcută condiţia de mai sus şi, ca urmare,

CB nu poate fi introdusă în sondă, decât dacă se umple, cel puţin parţial, cu

fluid de foraj.

1.9. Test de autoevaluare

1) Care sunt operaţiile principale cu ajutorul cărora se construieşte o sondă,

în ordinea desfăşurării lor?

a) foraj, tubare, cimentare; b) explorarea geofizică, foraj, tubare; c)

explorarea geofizică, tubare, cimentare.

2) Ce înseamnă metoda de foraj rotativ-hidraulică?

3) Care este denumirea coloanelor de burlane care intră în construcţia sondei

de foraj, în ordinea în care se tubează puţurile de foraj, considerând că există

patru coloane şi terenul de la suprafaţă este consolidat?

a) coloană de ghidare (CG), coloană de exploatare (CE), coloană

intermediară (CI), coloană de suprafaţă (CS); b) CG, CS, CI, CE; c) CS,

CI(I), CI(II), CE.

4) Care sunt condiţiile care trebuie să se asigure la alegerea unei sape?

5) Ce înseamnă P 110 dacă se referă la un burlan de tubare?

6) Care este solicitarea principală la care trebuie să reziste tronsonul

superior al unei coloane de burlane?

a) întindere circumferenţială şi radială datorită presiunii exterioare; b)

tracţiune; c) încovoiere; d) torsiune.

7) Cum poate avea loc avarierea coloanei la partea ei inferioară, considerând

cele două acţiuni principale (greutatea proprie aparentă şi presiunea

exterioară a fluidului de foraj)?

a) smulgere din filet; b) turtire; c) rupere de oboseală.

54

1.10. Lucrare de verificare

1) A. Să se aleagă sapa de foraj cu trei role, cu lagăre etanşe, necesară

pentru forajul într-o structură cu nisipuri presate şi gresii de tărie medie,

abrazive, a unui puţ intermediar care se tubează cu o CB de 8⅝"! Puţul

anterior a fost tubat cu o CB de 13⅜", cu burlane cu filet B, care are în

componenţa sa un tronson de burlane cu grosimea maximă de perete de

13,06 mm. B. Să se calculeze spaţiul inelar, raţia şi coeficientul de spaţiu

inelar, precizând condiţiile de foraj ce corespund măsurilor lor! C. Să se

calculeze jocul interior minim!

2) A. Să se completeze tabelul 1, folosind diagrama de tubare!

Tabelul 1. Caracteristicile CI(I), de 9⅝ in, cu filet L, din componenţa Sondei 1

CB.2 ≡ CI(I); DCI(I) = ......in; tip ÎF: ..... ; HT.2 ≡ LT.2 =1900 m; ρf = ..... t/m3; nt.2 = ...

i .......... ........... ........... ......... ..........

Li-1, m

Li, m

lB.i, m

CB.i

sB.i, m

m1.B.i, kg/m

qB.i, N/m

GB..i, kN

GCB.2, kN

B. Să se justifice şi să se precizeze semnificaţia tuturor notaţiilor! C. Să se

reprezinte profilul acestei coloane!

3) Se introduce într-un puţ forat, în care se află fluid de foraj cu densitatea

de 1,5 t/m3, primul tronson de burlane, cu grosimea de perete de 11,99 mm,

dintr-o CB de 9⅝", cu filet L, cu HT.2 ≡ LT.2 = 1 900 m, pe lungimea de 100

m. A. Să se demonstreze care este categoria de tuburi în care se încadrează

burlanele din acest tronson! B. Poate fi introdus acest tronson fără umplerea

lui cu fluid de foraj? C. Să se calculeze tensiunea de tracţiune care ia naştere

în secţiunea cea mai solicitată a corpul burlanului superior din acest tronson!

4) Să se calculeze presiunea hidrostatică exterioară, exprimată în MPa şi,

apoi, în bar, exercitată la adâncimea de 2 500 m de către fluidul de foraj cu

densitatea de 1,25 t/m3 asupra unei coloane de burlane, în timpul tubării

unui puţ!

1.11. Răspunsuri la testul de autoevaluare

1) a; 2) antrenarea sapei în mişcare de rotaţie şi evacuarea

detritusului de la talpa puţului prin circulaţia fluidului de foraj; 3) c; 4) să se

asigure: un spaţiu inelar corespunzător realizării unei tubări şi cimentări

reuşite şi un joc interior minim între sapă şi interiorul coloanei, pentru

continuarea forajului puţului următor; 5) clasa de rezistenţă a oţelului din

care confecţionează burlanul, cu limita minimă de curgere (Rt.0,5) de

758,5MPa; 6) b; 7) b.

55

Bibliografie

1.1. Pantazi, D., Construcţia şi tubarea sondelor. Ediţia a II-a. Editura tehnică,

Bucureşti.

1.2. Pârvulescu, N. S, Mecanica tubului pentru foraj şi extracţie. Editura

Academiei R.S.R, Bucureşti.

1.3. Iordache, G., Macovei, N., Forarea sondelor. Probleme. Editura tehnică,

Bucureşti.

1.4. Macovei, N., Hidraulica forajului. Editura tehnică. Bucureşti.

1.5. Ulmanu, V., Material tubular petrolier. Editura Tehnică, Bucureşti, 1992.

1.6. Posea, N., Rezistenţa materialelor. Editura didactică şi pedagogică,

Bucureşti.

1.7. * API Bul 5C3, Bulletin on formulas and calculations for casing, tubing,

drill pipe and line pipe properties.

1.8. * Normativ pentru calculul burlanelor şi întocmirea diagramelor de tubaj.

I.C.P.P.G. Câmpina.

1.9. Teel, Mark E., Slimhole: A „new” idea – again. World Oil, October 1993.

1.10. * Slimhole drilling potentials realized with new system. World Oil, March

1994.

1.11. Murray, P., Barriers to slimhole drilling. World Oil, March 1994.

1.12. Ioniţă, M., Dinu, M., Negulescu, V., Consideraţii privind tehnologia de foraj

slim hole. Revista Română de Petrol, decembrie 2004.

1.13. * API Specification 5CT, Specification for Casing and Tubing. American

Petroleum Institute (API).

1.14. * Hole Geometry. PetroWiki. 12.09.2013. http://petrowiki.spe.org/index.php?title=Hole_geometry&printable=yes.

1.15. * API Spec.16A, Specification for Drill through Equipment. American

Petroleum Institute (API).

1.16. * API RP 53, Recommended Practices for Blowout Prevention Equipment

Systems for Drilling Wells. American Petroleum Institute (API).

1.17. * Stripping. Schlumberger Oilfield Glossary.

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term%20name&filter

=stripping

http://petrowiki.spe.org/index.php?title=Hole_geometry&printable=yes

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term%20name&filter=stripping

http://www.glossary.oilfield.slb.com/en/Terms.aspx?LookIn=term%20name&filter=stripping

56

CAPITOLUL 2

UTILAJELE DE ADÂNCIME PENTRU FORAJ ŞI

PROCESUL DE FORAJ

2.1. Sapa de foraj

Sapa de foraj („Drill Bit”, în lb. en.) este scula cu ajutorul căreia se

realizează fisurarea şi dislocarea rocii de la talpa puţului şi fărâmiţarea/

sfărâmarea şi aşchierea acesteia, prin contactul dintre elementele sale

tăietoare cu roca, în timpul antrenării ei în mişcare de rotaţie şi exercitării pe

ea a unei forţe de apăsare.

Sapa poate fi antrenată direct, de un motor de adâncime, sau indirect,

de la suprafaţă, prin intermediul garniturii de foraj, folosind masa rotativă

sau capul hidraulic-motor/ top-drive-ul.

Există diferite tipuri de sape, diferenţiate după mai multe criterii. În

continuare se prezintă câteva tipuri de sape (vezi fig. 2.1):

sape de carotaj sau capete de carotieră;

sape cu role-con;

sape cu cuţite fixe;

sape lărgitoare.

Fig. 2.1. Diferite tipuri de sape: sapă de carotaj (în primul plan, în centru), sape cu role-con

(în dreapta), sape de tipul PDC cu corp-matrice (în stânga) şi sape de tipul PDC cu corp din

oţel (în mijloc, în planul al doilea şi al treilea)

Cu sapele de carotaj („coring bits”, în lb. en.) se realizează carotajul

mecanic, prin care se preiau carote de roci din formaţiunile geologice

străbătute prin foraj. Sapa de carotaj are o coroană pe care este dispusă

dantura formată din ştifturi din carburi metalice sau diamante. Diamantele

utilizate pot fi: naturale, artificiale sau policristaline. Ştifturile cu diamante

sintetice policristaline sunt cunoscute cu numele de compacte din diamante

policristaline12

[„polycrystalline diamond compact (PDC) bits”, în lb. en.].

12

Compactele din diamante policristaline sunt nişte pastile fabricate prin sinterizarea unui

strat (de cca. 0,5÷0,7 mm) de diamante sintetice microscopice (care constituie un diamant

57

De aceea, sapele de carotaj cu ştifturi cu diamante sintetice policristaline

sunt denumite capete de carotieră (cu) PDC. Sapele de carotaj/ Capetele de

carotieră forează găuri inelare, rămânând în interior un miez de rocă. Acesta

este recuperat cu carotiera şi adus la suprafaţă pentru a fi studiat,

reprezentând carota de rocă.

Pentru forajul rotativ de explorare şi exploatare se utilizează, de

obicei, două tipuri de sape: sapele cu role-con şi sapele cu cuţite fixe.

Fig. 2.2. Sapă cu role-con, cu dantură cu dinţi frezaţi,

executaţi din corpul rolei: 1– falcă; 2 – con cu

dantură cu dinţi din oţel; 3 – contracon; 4 –

dispozitiv de spălare exterioară cu jet (cu duză);

5 – cep cu filet conic; 6 – umărul cepului

(îmbinării filetate)

Sapele cu role-con („Roller-Cone Bits”, în lb. en.) (fig. 2.2) se

utilizează, în general, pentru forajul în formaţiuni foarte variate d.p.d.v. al

tăriei: de la cele foarte moi la cele foarte tari. Din acest punct de vedere,

există două tipuri de sape cu role [2.1]: sape cu dinţi frezaţi („milled tooth

bits”, în lb. en.) sau sape cu dinţi din oţel („steel-tooth bits”, în lb. en.) (fig.

2.2) şi sape cu inserţii din carburi de tungsten („tungsten carbide insert bits”

= „TCI bits”, în lb. en.) sau sape cu butoni („buton bits”, în lb. en.) (fig. 2.1,

dreapta). Primele se folosesc pentru forajul în formaţiuni relativ moi iar

celelalte pentru formaţiuni dintr-un domeniu mai larg, incluzând şi pe cele

mai tari şi mai abrazive.

Aceste sape au nişte elemente rotitoare din oţel, de formă conică,

numite, de aceea, role-con (fig. 2.3). Rolele-con sunt montate pe lagăre şi se

rotesc liber faţă de corpul sapei, atunci când sapa este antrenată în mişcare

de rotaţie. Majoritatea sapelor cu role au trei role şi se denumesc sape cu

trei role. Există şi sape cu două sau chiar o singură rolă. Pe suprafaţa rolelor

se află dantura, care poate fi cu dinţi de tăiere („cut teeth”, în lb. en.),

executaţi prin frezare din corpul rolei, sau cu butoni („buttons”, în lb. en.)/

policristalin), fixat, la temperatură şi presiune ridicată, pe un suport din carburi de wolfram,

în prezenţa unui liant catalizator. Compactele au, în general, forma unor discuri, cu

diametrul de cca. 10÷20 mm şi grosimea de cca. 3÷4 mm.

58

ştifturi din carburi metalice sinterizate (de exemplu, carburi din tungsten),

foarte tari, inseraţi în rolele-con.

Suprafaţa exterioară a rolelor, care vine în contact cu roca, se

numeşte contracon şi poate fi întărită cu ştifturi din carburi metalice (vezi

fig. 2.2 şi 2.4), pentru a-i conferi rezistenţă la uzare abrazivă.

Fig. 2.3. Aprecierea uzurii sapei, prin reducerea diametrului

său nominal, cu un şablon: 1, 2, 3 – role-con; 4 – duze;

5 – şablon de diametru nominal

Fig. 2.4. Dispozitivul de spălare exterioară în care este montată duza de la o sapă cu

role-con cu butoni

Diametrul cercului circumscris

contraconurilor este diametrul maxim al

sapei şi reprezintă diametrul său nominal.

Prin uzarea contraconurilor în timpul

forajului (vezi fig. 2.3) se decalibrează

gaura forată, ceea ce duce la micşorarea

spaţiului inelar şi, ca urmare, la probleme

de tubare a puţului forat şi de cimentare a coloanei de burlane.

La sapele cu spălare exterioară (cu jet), există trei duze (fig. 2.3 şi

2.4) pe unde iese fluidul de foraj cu viteză mare, pentru spălarea rolelor şi a

tălpii puţului de detritusul rezultat din acţiunea de tăiere şi fărâmiţare a rocii.

Jeturile de fluid de foraj au şi o acţiune de dislocare a rocii de pe talpă, prin

impactul hidrodinamic cu roca.

Sapele cu cuţite fixe („fixed cutter bits”, în lb. en.) sau sapele cu

diamante („diamond bits”, în lb. en.) includ [2.1]: sapele cu diamante

naturale („natural diamond bits”, în lb. en.), sapele din compacte de

diamante policristaline („polycrystalline diamond compact bits” = „PDC

bits”, în lb. en.) şi sapele cu diamante policristaline termostabile [„thermaly

stable product bits” = „TSP bits”, în lb. en.]/ [„thermaly stable diamond

bits” = „TSD bits”, în lb. en.]. Aceste tipuri de sape pot fora într-un şir larg

de formaţiuni aflate la adâncime variată.

Sapele (cu) PDC pot fi cu:

compacte în corp-matrice („matrix-body PDC bits”, în lb. en.);

compacte în corp de oţel („steel body PDC bits”, în lb. en.).

Sapele cu PDC s-au impus în ultima vreme odată cu extinderea

forajului direcţional şi orizontal. Combinaţiile de cuţite şi jeturi de fluid de

59

foraj joacă un rol important în procesul de foraj (Pro.F) realizat de aceste

sape. Sapele PDC sunt recomandate pentru formaţiuni slabe până la medii-

tari, neabrazive şi omogene. Pentru rocile tari şi abrazive se utilizează sape

TSP sau TSD, cu diamante policristaline termostabile, la care se foloseşte

silicon, în locul liantului catalizator metalic, pentru a îmbunătăţi stabilitatea

termică a diamantelor policristaline.

Fig. 2.5. Faţa frontală a sapei PDC cu compacte din diamante

policristaline în corp matrice şi duze

Sapele cu role-con şi sapele PDC sunt selectate şi utilizate în

conformitate cu sistemele de clasificare curente elaborate de International

Association of Drilling Contractors (IADC): IADC Classification System

for Roller-Cone Bits [2.2] şi, respectiv, IADC Classification System for

Fixed Cutter Bits [2.3]. Evaluarea uzurii acestor sape se face conform cu

Protocolul IADC de clasare a uzurii (IADC Dull Grading Protocol) [2.3].

2.2. Garnitura de foraj

Garnitura de foraj (Gar.F) clasică reprezintă un ansamblu de

elemente tubulare, îmbinate prin filete, care permite transmiterea de la

suprafaţă la sapă a energiei mecanice de rotaţie şi circulaţia fluidului de

foraj – în cazul forajului rotativ-hidraulic, cu masă rotativă (MR) sau cap

hidraulic-motor (CH-M) („top drive”, în lb. en. = acţionare la partea

superioară) – sau numai transmiterea energiei hidraulice la motorul hidraulic

de adâncime (MH.Ad) (care antrenează sapa, în cazul forajului fără MR sau

CH-H) sau direct la sapă, pentru spălarea tălpii puţului, în cazul forajului cu

motor electric de adâncime (M.E.Ad).

Funcţiunile Gar.F clasice sunt următoarele:

1) exercitarea pe sapă (S) a unei forţe de apăsare FS, prin intermediul

ansamblului de adâncime (An.Ad);

2) transmiterea la sapă a puterii mecanice de rotaţie:

SSS MP ω , (2.1)

unde MS este momentul de rotaţie dezvoltat la sapă, iar ωS – viteza

unghiulară a sapei;

3) permiterea circulaţiei directe sau inverse a fluidului de foraj, în

60

vederea evacuării detritusului de la talpa puţului.

Motoarele de adâncime (M.Ad) care acţionează în mod direct sapa

pot fi (d.p.d.v. al tipului de energie pe care o utilizează):

1) motoare electrice (M.E.Ad) (care transformă energia electrică,

transmisă printr-un cablu, în energie mecanică de rotaţie):

1a) motoare electrice asincrone cu rotorul în scurtcircuit

(M.E.As.Ad);

1b) motoare de curent continuu (M.E.C.C.Ad) – folosite mai rar;

2) motoare hidraulice (M.H.Ad) (care transformă energia hidraulică

a fluidului de foraj în energie mecanică de rotaţie):

2a) motoare hidrodinamice de adâncime (M.Hd.Ad), numite şi

turbine de foraj (Tb.F) (care folosesc, în special, componenta

cinetică a energiei hidraulice);

2b) motoare hidrostatice de adâncime (M.Hs.Ad), care sunt de

tipul motoarelor elicoidale (M.Elc.Ad) (care folosesc, în

special, componentele de presiune statică/ potenţială de

presiune, şi hidrostatică/ potenţială de poziţie).

Cu ajutorul Gar.F se realizează şi operaţii de instrumentaţie

(O.Instr.) pentru rezolvarea accidentelor tehnice de foraj.

Accidentul tehnic de foraj este un eveniment nedorit, care survine în

timpul forajului şi care împiedică continuarea lui, constând în:

– prinderea la puţ a Gar.F, prin surparea peretelui;

– ruperea într-o anumită secţiune a Gar.F (a prăjinilor de foraj sau a

prăjinilor grele);

– desprinderea din sapă a unor părţi componente: elemente tăietoare/

de dislocare (dinţi, butoni, ştifturi etc.), conuri/ role ale sapelor cu

role, bile sau role ale lagărelor uzate etc.

Pentru efectuarea O.Instr., Gar.F este echipată, în mod

corespunzător, cu scule de instrumentaţie (Sc.Instr.).

În timpul O.Instr., Gar. F îndeplineşte funcţiunile:

1) transmiterea la Sc. Instr. a momentului de torsiune necesar şi a

mişcării de rotaţie;

2) exercitarea unei forţe de apăsare pe Sc.Instr.;

3) permiterea circulaţiei directe sau inverse a fluidului de foraj,

pentru degajarea porţiunii de Gar.F. aflate în puţ, respectiv pentru

recuperarea obiectelor metalice rămase pe talpa puţului;

4) transmiterea de şocuri mecanice, prin geale de bătaie, pentru

degajarea Gar.F prinse la puţ;

5) exercitarea unei forţe de tracţiune necesare degajării Gar.F sau

declanşării loviturilor(„bătăilor”) cu geala;

6) aducerea la suprafaţă a obiectelor recuperate din puţ.

Gar.F neclasice/„neconvenţionale” pot fi de tipurile:

– flexibilă (continuă) („coiled tubing”, în lb. en. = tubing înfăşurat);

– hidraulică, reprezentată de un furtun, care are numai rolul de a

transmite energia hidraulică la un M.H.Ad autonom şi a permite

circulaţia fluidului de foraj, pentru evacuarea detritusului;

– electrică, sub forma unui cablu electric, care are rolul de

alimentare cu energie electrică a unui M.E.Ad autonom.

61

În fig. 2.6 se prezintă schema Gar.F clasice, în timpul forajului, din

care reiese şi componenţa ei. Astfel, se constată că există două componente

mari ale Gar.F: ansamblul de adâncime (An.Ad) şi ansamblul superior

(An.S).

Rolul principal al An.Ad este de a realiza forţa de apăsare pe sapă.

De aceea, el este format, în special, din prăjini grele (PG) (vezi fig. 2.7).

Deasupra sapei (S) se montează, de obicei, un corector-stabilizator cu role

(Cor.-St.Ro), apoi un amortizor de

şocuri şi vibraţii (ASV) şi, la diferite

distanţe de sapă, între PG, se plasează

stabilizatori (St). De asemenea, în

cadrul An.Ad se poate monta şi o

geală (G), spre partea superioară a

An.Ad. Corectorul-stabilizator cu role

(Cor.-St.Ro) îndeplineşte cele două

funcţiuni precizate de denumirea sa:

de corectare a găurii de foraj – în

situaţia în care sapa s-a uzat (de

exemplu, contraconul, de la sapa cu

trei role) şi, astfel, gaura forată este

decalibrată şi nu se mai poate asigura

spaţiul inelar necesar pentru realizarea

unei tubări şi cimentări reuşite – şi de

stabilizare a ansamblului de PG.

Amortizorul de şocuri şi vibraţii

(ASV) amortizează atât şocurile, cât şi

vibraţiile provenite din interacţiunea

elementelor de dislocare ale sapei cu

roca de pe talpa puţului, protejând,

astfel, mai ales sapa şi îmbinările

filetate ale PG, PF şi ale celorlalte

elemente tubulare din componenţa

Gar.F de manifestarea timpurie a

fenomenului de oboseală şi a ruperilor

bruşte.

Fig. 2.6. Garnitura de foraj (Gar.F) clasică, în

cazul forajului cu masă rotativă: S – sapă;

An.Ad – ansamblu de adâncime; LAn.Ad – lungimea

An.Ad; RL – reducţie de legătură; Cor.-St.Ro –

corector-stabilizator cu role; ASV – amortizor de

şocuri şi vibraţii; PG – prăjină grea; DPG –

diametrul nominal al PG; St – stabilizator; G –

geală; An.S – ansamblu superior; LAn.S – lungimea

An.S; PFI – prăjină de foraj intermediară; PF –

prăjină de foraj; LGar.F – lungimea Gar.F; PA –

prăjină de antrenare; Pm – pătraţi mici; An.Ro –

antrenor cu role; PM – pătraţi mari; MR – masă

rotativă; CH – cap hidraulic; RL CH – reducţia de

legătură a CH (dintre CH şi PA); VS/ CS – ventil/

cana de siguranţă; MC – ansamblul macara-cârlig;

c – cârlig

62

Folosirea stabilizatorilor (ST) este impusă de evitarea fenomenului

de flambaj a ansamblului de prăjini grele (An.PG).

Rolul An.S este de a face legătura între prăjina de antrenare (PA) şi

An.Ad. El este alcătuit din păjini de foraj (PF) (vezi fig. 2.7 şi 2.8).

Deasupra An.Ad se poate monta o prăjină de foraj intermediară (PFI)

pentru a face trecerea de la rigiditatea mai mare a PG la rigiditatea mult mai

mică a PF. Lungimea An.S (LAn.S) este mult mai mare decât lungimea An.Ad

(LAn.Ad), în funcţie de adâncimea de foraj. De aceea, pentru a rezista la

solicitările la care sunt supuse PF, în timpul forajului de mare şi foarte mare

adâncime, An.S se poate tronsona, cu unul, două sau, chiar, trei tronsoane

de PF, tronsoanele superioare având rezistenţe mai mari decât cele

inferioare. Ca urmare, tronsoanele de PF diferă fie prin diametrul nominal

(exterior) al PF (DPF), fie prin grosimea de perete a PF (sPF), fie prin clasa

de rezistenţă a oţelului din care se confecţionează PF (CPF), fie prin două

dintre aceste caracteristici.

Fig. 2.7. Prăjină de foraj, cu racordul special-cep (în stânga) şi prăjini grele

(în dreapta), aşezate cu cepul pe „scaunul” stivei de paşi de prăjini de pe

platforma de lucru a instalaţiei de foraj

Fig. 2.8. Prăjini de foraj, văzute dinspre capătul cu racordul special-mufă,

aşezate pe rampa de material tubular a instalaţiei de foraj

În timpul forajului, se montează un ventil sau cana de siguranţă

(VS/ CS) între PA şi fusul capului hidraulic pentru a permite închiderea

spaţiului din interiorul Gar.F, în situaţia în care ar exista, la un moment-dat,

63

tendinţa de manifestare/ erupţie a „sondei” (de fapt, a zăcământului/

stratului productiv).

2.3. Tipurile de îmbinări filetate ale elementelor garniturii de

foraj

Pentru asamblarea elementelor tubulare ale Gar.F se folosesc

îmbinări filetate cu umăr, cu filete conice.

Îmbinarea filetată cu umăr (ÎFU) este formată din două elemente

filetate: cepul (C) şi mufa (M).

Există mai multe tipuri de ÎFU. Construcţia lor este reglementată în

API Spec. 7 [2.4].

Tipodimensiunile de ÎFU se diferenţiază prin construcţia filetului şi

secţiunea de trecere a fluidului de foraj şi există:

1) ÎFU de tipul NC (Numbered Connection), cu conicităţile 1:8, 1:6

şi 1:4;

2) ÎFU de tipul REG (Regular), cu conicităţile 1:6 şi 1:4;

3) ÎFU de tipul FH (Full-Holle), cu conicităţile 1:6 şi 1:4;

4) ÎFU de tipul IF (Internal-Flush), cu conicitatea 1:6.

ÎFU de tipul NC s-au construit cu scopurile:

– restrângerii gamei îmbinărilor filetate folosite în practica forajului;

– îmbunătăţirii caracteristicilor de rezistenţă ale îmbinării, realizate

prin: adoptarea pentru raza de fund a filetului a măsurii rf=0,965mm,

mărită faţă de celelalte îmbinări, şi pentru pas a măsurii p = 6,35mm.

Seria îmbinărilor de tipul NC cuprinde 13 tipodimensiuni, dintre

care şase sunt interschimbabile cu alte tipuri uzuale de îmbinări.

Semnul grafic de nominalizare a îmbinării de tipul NC este:

NC [10·w(D)],

unde D este diametrul nominal, care este diametrul mediu al filetului cepului

în planul de măsurare, aflat la distanţa de 15,875 mm faţă de

umăr, 87515,

FDD , exprimat în inch, [D] = in, iar [10·w(D)] este partea

întreagă a numărului 10·w(D), w(D) fiind valoarea numerică a măsurii lui D.

Exemplu: NC 50 are in 5,042mm 05912887515 ,DD ,

F ; deci:

w(D) = 5,042; 10· w(D) = 50,42 şi [10·w(D)] = 50.

Observaţii: 1) Prin adoptarea seriei de ÎFU de tipul NC, îmbinările

de tipurile FH şi IF devin perimate, urmând ca, în decursul timpului, să se

renunţe la ele. 2) ÎFU de tipul REG se folosesc la sapele de foraj cu trei

conuri. 3) Tipodimensiunile de ÎFU, împreună cu caracteristicile lor, se

găsesc şi în [2.5].

ÎFU reprezintă veriga slabă a Gar.F, adică zona unde se produce

majoritatea ruperilor.

2.4. Secţiunile critice ale îmbinării filetate cu umăr a prăjinii

grele

Secţiunile critice ale îmbinării filetate cu umăr (ÎFU) a prăjinii grele

(PG) sunt acele secţiuni unde, de obicei, se produc ruperi.

64

a b c

Fig. 2.9. Secţiunile critice ale ÎFU a PG (b) şi diagramele tensiunilor de încovoiere din cep

(C) şi mufă (M), în secţiunea critică a cepului (a), şi din mufă, în secţiunea critică a mufei

(c): DPG – diametrul nominal (exterior) al PG;DPG.i – diametrul interior al PG; 0519,FD –

diametrul flancurilor filetului, în planul de măsurare, situat la distanţa de 19,05 mm faţă de

umăr; Cl

i.MD – diametrul interior al mufei corespunzător secţiunii critice a mufei; 0519

σ,

M.i –

tensiunea maximă de încovoiere din mufă, în secţiunea critică a cepului; 0519

σ,

C.i –

tensiunea maximă de încovoiere din cep, în secţiunea critică a cepului, conform legii lui

Navier; 0519

σ,k.C.i – tensiunea maximă de încovoiere din cep, în secţiunea critică a cepului,

datorată efectului de concentrare a tensiunii (determinat de existenţa filetului); 0519

σ,i.C.i –

tensiunea de încovoiere din fibra interioară a cepului, în secţiunea critică a lui; Cl

M.iσ –

tensiunea maximă de încovoiere din secţiunea critică a mufei, Cl

M.iσ > 0519

σ,

M.i ; Cl

i.M.iσ –

tensiunea de încovoiere din fibra interioară a secţiunii critice a mufei, conform legii lui

Navier; Cl

k.i.M.iσ –– tensiunea de încovoiere din fibra interioară a secţiunii critice a mufei,

datorată efectului de concentrare a tensiunii (determinat de existenţa filetului)

Se consideră următoarele secţiuni critice ale ÎFU a PG (vezi fig.

2.9):

– secţiunea aflată la distanţa de 19,05 mm faţă de umăr, pentru cep

(C);

– secţiunea situată la distanţa egală cu lungimea cepului (lC) faţă de

umăr (adică la baza ultimei spire angajate a mufei), pentru mufă (M).

Fig. 2.10. Fisuri de oboseală corozivă în secţiunile critice ale ÎFU a PG

În aceste secţiuni critice apar fisuri de oboseală, determinate atât de

solicitările la care este supusă ÎFU, cât şi de acţiunea mediului coroziv din

sondă (vezi fig. 2.10). În timpul funcţionării PG, fisurile evoluează până la

stadiul de rupere (vezi fig. 2.11 şi 2.12).

Fotografiile din fig. 2.12, care prezintă suprafaţe tipice de rupere la

oboseală, pun în evidenţă cele trei zone caracteristice: zona de iniţiere a

fisurilor de la baza spirei filetului, zona de propagare a fisurilor (cu aspect

neted) şi zona de rupere bruscă, cu aspect rugos, grăunţos.

65

Fig. 2.11. Ruperea cepului (C) în secţiunea sa critică

a b

Fig. 2.12. Prăjini grele de 8", rupte în secţiunea critică a cepului, datorită fenomenului de

oboseală: a – în zona ultimelor două spire angajate; b – în zona ultimei spire angajate

ÎFU a PG se construieşte astfel încât să se asigure rezistenţe la

oboseală comparabile pentru cep şi mufă, deoarece fenomenul de oboseală a

ÎFU a PG reprezintă principala cauză de degradare şi, ca urmare, de ieşire

din uz a PG.

În timpul forajului rotativ, îmbinările filetate ale PG sunt supuse la

următoarele solicitări:

– torsiune, datorită momentului de înşurubare (Mt.î) şi a momentului de

torsiune transmis de masa rotativă sau capul hidraulic-motor (Mt);

– întindere axială, determinată de forţa axială de prestrângere (Fa.pres);

– tracţiune axială, pentru PG aflate deasupra secţiunii neutre a An.Ad

(vezi subcap. 2.5);

– compresiune axială, pentru PG care se găsesc sub secţiunea neutră a

An.Ad;

– încovoiere, datorită momentului încovoietor (Mi), care ia naştere în

zonele de deviere ale găurii de foraj (zonele cu „îngenuncheri” ale

PG) şi din cauza pierderii de stabilitate a An.Ad.

66

Încovoierea este principala solicitare care determină apariţia

fenomenului de oboseală a ÎFU a PG. Acest fenomen este agravat şi de

celelalte solicitări (vezi [2.5]): tracţiune-compresiune şi torsiune, ca şi de alţi

factori (uzura mufei, mediul coroziv etc.).

Fenomenul de oboseală apare din cauza deformaţiilor de încovoiere

(alungire şi contracţie axială), tensiunile de încovoiere având o variaţie

alternant-simetrică într-o rotaţie completă a PG.

Tensiunea de încovoiere (σi), care se dezvoltă în fibra exterioară a

secţiunii transversale a îmbinării, se exprimă prin relaţia următoare:

IFU

ii

W

Mσ , (2.2)

unde WÎFU este modulul de rezistenţă la încovoiere al secţiunii transversale a

ÎFU.

Considerând rezistenţe la oboseală comparabile pentru cep şi mufă

în secţiunile critice ale acestora, adică (vezi fig. 2.9)

0519σ ,

k.C.i = Cl

k.i.M.iσ , (2.3)

se obţine condiţia pe care trebuie s-o îndeplinească modulele de rezistenţă la

încovoiere ale acestor secţiuni (ale PG circulare standardizate în România):

761

0519,

W

Wi

,

C

l

MC

, (2.4)

unde

2

PG

l

Ml

M D

IW

C

C , (2.5)

Cl

MI fiind momentul geometric axial al secţiunii critice a mufei, exprimat

sub forma

44

64CC l

i.MPG

l

M DDI

, (2.7)

şi

2

0519

0519

0519

,

F

,

C,

CD

IW , (2.8)

în care 0519,

CI este momentul geometric axial al secţiunii critice a cepului,

4405190519

64

πi.PG

,

F

,

C DDI , (2.9)

Există anumite fenomene care duc la micşorarea lui Cl

MW , şi

anume:

– uzarea mufei, la exterior, în timpul exploatării, datorită frecării cu

peretele puţului;

– acţiunea corozivă şi erozivă a fluidului de foraj în zona spirelor

neangajate.

De aceea, se recomandă

3,2 91 ;,ir (2.10)

67

S-a constatat că este posibil să apară în exploatare degradări ale

mufei, reprezentate prin fisuri de oboseală la ultima spiră angajată (vezi

fig. 2.10), deformare plastică şi ruperi, dacă

2

0519

,

C

l

M

W

Wi

C

. (2.11)

De aceea, se consideră că valoarea optimă a lui i este

52,iopt . (2.12)

În standardul de PG este precizată valoarea lui i. Astfel, pentru PG

cu DPG [3⅛"; 11"] = [79,4; 279,4]·mm, DPG.i[1¼"; 3"] = [31,8;

76,2]·mm şi ÎFU de tipul NC 23 ÷ NC 77, i are valori cuprinse în domeniul

i [2,38; 3,18],

valoarea minimă corespunzând pentru PG de 5 in, cu DPG.i = 57,2 mm şi

ÎFU de tipul NC 38, iar valoarea maximă pentru PG de 6¾ in, cu DPG.i =

57,2 mm şi ÎFU de tipul NC 46.

2.5. Lungimea ansamblului de adâncime

Rolul ansamblului de adâncime (An.Ad) este de a realiza forţa de

apăsare pe sapă.

Ca urmare, lungimea ansamblului de adâncime (LAn.Ad) se determină

din condiţia asigurării forţei de apăsare pe sapă necesare în timpul forajului.

Forţa de apăsare pe sapă (FS) se obţine prin lăsarea pe sapă a unei

părţi din greutatea ansamblului de adâncime, măsurată în fluid de foraj, deci

din greutatea aparentă a An.Ad (Ga.An.Ad). Ea este impusă de condiţiile de

foraj (structura geologică traversată, prin natura rocilor, tăria lor, înclinarea

straturilor etc.), de diametrul de săpare, tipul şi varianta constructivă a sapei

şi de celelalte mărimi ale regimului de foraj (turaţia sapei, debitul fluidului

de foraj, viteza jeturilor prin duzele sapei).

Se consideră forajul deviat (necontrolat sau controlat/ dirijat) cu

unghiul mediu de deviere faţă de verticală, notat cu θ (vezi fig. 1.20). Se

admite, de asemenea, că An.Ad este format numai din prăjini grele (PG),

adică este un ansamblu de PG (An.PG). Se notează cu cL·LAn.PG partea din

lungimea acestui An.PG care contribuie la realizarea lui FS, unde cL este un

coeficient subunitar (cL < 1),

0,85 700 ;,cL , (2.13)

care arată cât din lungimea An.Ad contribuie la realizarea lui FS.

Se consideră un sistem birectangular de axe yOz, cu originea pe axa

ansamblului de PG, în secţiunea neutră a acestuia, şi cu axa Oz dispusă

după axa ansamblului (vezi fig. 2.13). Ca urmare, prin lăsarea pe sapă/ talpa

puţului a unei părţi din greutatea ansamblului de PG (realizând, astfel, FS),

partea din An.PG situată sub secţiunea neutră, de lungime cL·LAn.PG, este

supusă la compresiune iar partea de deasupra acestei secţiuni la întindere

(vezi fig. 2.13).

Greutatea aparentă a părţii din An.PG care participă la realizarea

forţei FS se notează cu PG.AnL Lc

PG.An.aG

şi se determină în acelaşi mod ca şi

68

greutatea aparentă a coloanei de burlane (vezi subcap. 1.4), numai că An.PG

este plin cu fluid de foraj. Ca urmare, se obţine:

o

fLc

PG.An

Lc

PG.An.aPG.AnLPG.AnL GG

ρ

ρ1 , (2.14)

în care PG.AnL Lc

PG.AnG

este greutatea în aer a părţii din An.PG care participă la

realizarea forţei FS. Dacă qPG este greutatea unitară a PG, atunci greutatea PG.AnL Lc

PG.AnG

se exprimă astfel:

PG.AnLPG

Lc

PG.An LcqG PG.AnL

. (2.15)

Fig. 2.13. Schema de calcul al forţei de

apăsare pe sapă (FS) şi diagrama de

variaţie a tensiunii axiale (σa) (din

secţiunea transversală a prăjinilor grele)

de-a lungul ansamblului de prăjini grele

(An.PG)

Conform fig. 2.13, numai forţa

axială (Fa) participă la realizarea

forţei de apăsare pe sapă. Datorită

existenţei forţei normale pe direcţia

găurii de foraj, la contactul An.PG

cu peretele puţului ia naştere o

forţă de frecare (Ff), care se opune

acţiunii forţei Fa, astfel încât forţa

de apăsare pe sapă este determinată

de relaţia:

faS FFF . (2.16)

Exprimând fiecare dintre

aceste forţe în corelaţie cu PG.AnL Lc

PG.An.aG

şi ţinând cont de (2.14) şi (2.15), se determină formula forţei de

apăsare pe sapă în funcţie de lungimea An.PG şi de unghiul mediu de

deviere a sondei:

sincos1 a

o

f

PGAnLPGS LcqF . . (2.16)

În acestă formulă, s-a admis că forţa de frecare este determinată de

legea lui Amonton-Coulomb (legea frecării uscate), şi anume:

naf FF μ , (2.17)

în care μa este coeficientul de frecare de alunecare.

Din relaţia (2.16) se deduce expresia lungimii An.PG, sub forma:

sincos1 a

o

f

PGL

SPGAn

qc

FL . . (2.18)

O relaţie asemănătoare se poate scrie şi pentru cazul general, al

ansamblului de adâncime (An.Ad), cu alcătuirea prezentată în subcapit. 1.6,

69

dacă se admite o greutate unitară a a acestui ansamblu, qAn.Ad, calculată prin

raportarea greutăţii lui la lungime:

Ad.An

Ad.AnAd.An

L

Gq . (2.19)

Astfel, se scrie:

sincos1 a

o

f

AdAn

SAdAn

qc

FL

.

. , (2.20)

unde coeficientul c se referă la greutatea An.Ad, nu numai la lungimea lui.

Dacă θ = 0°, atunci relaţia (2.20) devine

o

f

Ad.An

SAd.An

qc

FL

ρ

ρ1

0

. (2.21)

Împărţind relaţia (2.20) la relaţia (2.21), în situaţia în care nu se

modifică FS, c, qAn.Ad şi ρf, se obţine

sincos

1

0a

AdAn

AdAn

L

L

.

. . (2.22)

Conform relaţiei (2.20), pentru forţa de apăsare pe sapă necesară în

timpul forajului (impusă de factorii precizaţi mai sus, de natură geologică,

tehnologică şi tehnică, ultimii referindu-se la tehnica forajului şi

tipodimensiunea sapei), lungimea An.Ad depinde invers proporţional de

greutatea unitară a elementelor acestui ansamblu, respectiv de cea a

prăjinilor grele. Astfel, alegerea unor PG cu greutatea unitară mai mare,

deci, pentru acelaşi diametru nominal, impus de condiţiile de foraj, cu

grosimea de perete mai mare, are ca efect utilizarea unui An.Ad cu o

lungime mai mică. Însă, forajul deviat, cu unghiul mediu de deviere mai

mare, în condiţiile în care se foloseşte aceeaşi tipodimensiune de PG,

necesită utilizarea unui An.Ad cu lungimea mai mare, şi anume de

sincos1 a/ ori mai mare decât pentru forajul vertical, conform

relaţiei (2.22). De exemplu, pentru θ = 16° şi μa = 0,3, se obţine

01381 Ad.AnAd.An L,L ,

adică lungimea An.Ad este cu 13,8 % mai mare decât în cazul forajului

vertical.

Relaţia (2.16) arată că există un unghi mediu de deviere, notat cu θ0,

pentru care nu se mai poate realiza forţa de apăsare pe sapă în modul clasic,

precizat mai sus. Deci:

0θ0 SF . (2.23)

Din această condiţie rezultă imediat

a 1/arctg0 , (2.24)

ceea ce demonstrează că unghiul mediu de deviere θ0 pentru care forţa de

apăsare pe sapă este nulă depinde, din punct de vedere teoretic, de natura

rocilor străbătute, considerată prin coeficientul de frecare de alunecare μa.

70

a b

Fig. 2.14. Componenţa Gar.F în cazul sondei verticale (a ) şi al sondei direcţionale (b), cu

rază medie de curbură (R = 86,7 m ÷ 217 m) (conform [2.6]): 1– coloană de burlane; 2 –

sapă cu role sau de tipul PDC („polycrystalline diamond compact”); 3 – prăjini grele (PG);

4 – geală de foraj (G); 5 – prăjini de foraj (PF) cu diametru redus; 6 – PF cu diametru mai

mare; 7 – motor de adâncime/ submersibil cu turaţie redusă; 8 – prăjini amagnetice (din oţel

inoxidabil austenitic); 9 – aparatură de tipul MWD şi instrument de direcţie; 10 – PF cu

perete gros

Fig. 2.15. Componenţa Gar.F în cazul sondelor direcţionale şi orizontale, cu rază mică de

curbură (R = 5,8 m ÷ 12,7 m), în sistem „re-entry” (conform [2.6]): 1– coloană de burlane;

2 – pacher de coloană, cu sistem de orientare; 3 – pană de deviere, cu sistem de orientare; 4

– sapă cu diamante naturale sau policristaline; 5 – motor de adâncime/ submersibil cu

turaţie mare şi patină; 6 – PF amagnetică; 7 – aparatură de tipul MWD şi instrument de

direcţie; 8 – geală (G) hidraulică; 9 – prăjini de foraj (PF); 10 – prăjini de foraj (PF) cu

diametru redus; 11 – PF cu diametru mai mare; 12 – reducţie cu fereastră laterală; 13 –

cablu pentru aparatura MWD şi instrumentul de direcţie

Astfel, pentru μa = 0,3, se obţine θ0 = 73,3° = 1,279 rad. Din punct

de vedere teoretic, condiţia ca FS > 0 este reprezentată de inegalitatea

următoare:

71

a 1/arctg . (2.25)

De obicei, în cazul forajului înclinat (direcţional) sau orizontal, se forează

prima porţiune vertical sau înclinat, cu un unghi mediu de deviere mic, iar

următoarea porţiune, din zona stratului productiv (eventual, depletat), se

forează cu o înclinare mai mare sau, chiar, orizontal (vezi fig. 2.14 şi 2.15).

Deoarece stratul productiv este format din roci cu rezistenţă slabă şi

duritate mică, sunt necesare măsuri mici ale forţei de apăsare pe sapă, care

se pot obţine cu ajutorul unui An.PG situat în zona verticală, de dinaintea

zonei orizontale, sau cu ajutorul unor prăjini de foraj cu rezistenţă mare la

compresiune, amplasate în aceeaşi zonă verticală. De asemenea, dislocarea

rocii este realizată prin acţiunea hidrodinamică a jeturilor de fluid de foraj,

utilizând forajul cu jet, cu viteză mare, vj [180, 200]·m/s. Prăjinile de foraj

cu rezistenţă mare la compresiune pot fi de tipul:

– cu perete gros („Heavy Wate” sau „Thick Wall”, în lb. en.),

executate din ţeavă de oţel cu perete gros, având la capete racorduri

speciale uzuale sudate, dar cu lungimea mai mare, şi zona centrală

îngroşată şi cu rezistenţă mai mare la uzare;

– cu perete gros şi canale elicoidale pe suprafaţa exterioară.

Pentru forajul direcţional sau orizontal se utilizează motoare de

adâncime. Pentru a realiza direcţia de foraj şi pentru a o păstra este nevoie

de aparatură MWD („Measurements While Drilling”, în lb. en.) şi

instrument de direcţie („steering tool”, în lb. en.), care pot forma, împreună,

un sistem automat Rotary (de foraj rotativ), dirijabil („automated Rotary

steerable system”, în lb. en.). Prăjinile grele sau de foraj montate în

apropierea aparaturii MWD sunt amagnetice (realizate dintr-un oţel

austenitic), pentru a nu influenţa câmpul magnetic din zona respectivă.

Carcasă nerotativă, conţinând Arbore de Dispozitiv Dispozitiv Etanşare

senzori, partea electronică şi transmisie de acţionare antirotativ dinamică

hidraulică

Fig. 2.16. Sistem de foraj rotativ automat, cu pilotare „point-the-bit” (= „îndreaptă/

orientează sapa”)

În fig. 2.16 se prezintă un sistem de foraj rotativ,dirijabil, automat,

cu buclă închisă, cu pilotare „point-the-bit” (= „îndreaptă/ orientează sapa”),

numit „Well-Guide Rotary Steerable System” (= „sistem Rotary, dirijabil,

cu ghidare pe peretele puţului”), folosit pentru a realiza foraje cu înclinare

mică, prin orientarea sapei, datorită încovoierii arborelui de transmisie, cu

ajutorul unui dispozitiv de acţionare hidraulic.

2.6. Verificarea la flambaj a ansamblului de adâncime

Se consideră un An.Ad uniform, adică format numai din prăjini grele

(PG).

Aşa cum s-a văzut în subcapitolul anterior, porţiunea din An.PG de

lungime cL·LAn.PG este solicitată la compresiune. Deoarece cL·LAn.PG este

72

foarte mare în comparaţie cu diametrul nominal al PG (DPG), An.PG se

comportă ca o bară lungă şi subţire, deci, elastică. Ca urmare, sub acţiunea

greutăţii proprii aparente (adică a greutăţii în fluid de foraj) – prin sprijinirea

sapei pe talpa puţului, realizându-se forţa de apăsare pe sapă, FS – An.PG îşi

poate modifica forma rectilinie iniţială, căpătând o formă deformată, de

echilibru instabil, deci îşi pierde stabilitatea (flambează).

Forţa FS la care se produce pierderea de stabilitate a An.PG se

numeşte forţă de apăsare pe sapă critică (FS.cr) sau sarcină de flambaj, iar

lungimea corespunzătoare a An.PG poartă numele de lungime critică

(LAn.PG.cr).

În timpul forajului, flambajul An.PG are loc nu numai datorită lui

FS, dar şi din cauza momentului de torsiune (Mt), a forţei centrifuge (care ia

naştere prin mişcarea de rotaţie a acestui ansamblu, cu o anumită viteză

unghiulară), a formei găurii de foraj, a gradului de deviere a acesteia, care

determină apariţia unor forţe transversale.

Pierderea de stabilitate a An.PG este însoţită de deformarea

elementelor componente ale acestuia, săgeata maximă (deci, deformaţia

maximă) fiind limitată, însă, de peretele găurii. Apare, astfel, un flambaj

multiplu (cu mai multe bucle), limitat. Ca urmare, în timpul forajului, se

produce un moment încovoietor (Mi) şi se dezvoltă tensiuni de încovoiere

(σi) variabile în secţiunile transversale ale prăjinilor grele deformate. Aceste

tensiuni de încovoiere şi celelalte tensiuni provocate de solicitările de

torsiune, compresiune şi de tracţiune, variabile în timpul forajului, realizat

cu diferite măsuri ale forţei de apăsare pe sapă, determină apariţia

fenomenului de oboseală a prăjinilor grele, mai ales în secţiunile critice ale

îmbinărilor filetate cu umăr ale acestora. Alte efecte negative ale

manifestării flambajului la care este supus An.PG sunt: uzarea PG, devierea

necontrolată a găurii de foraj, formarea „găurilor de cheie” etc.

Pentru o gaură verticală, considerând flambajul simplu (cu o singură

buclă) sub sarcini repartizate, reprezentate de greutatea unitară aparentă,

qa.PG, exprimată prin relaţia

o

f

PGPGa qqρ

ρ1

., (2.26)

se poate demonstra că există următoarea formulă pentru forţa critică de

apăsare pe sapă (cf. [1.2]):

3 2

PG.aPGfcr.S qIEcF , (2.27)

unde cf este coeficientul de flambaj, a cărui valoare se admite 1,7 (conform

prof. N. Pârvulescu [2.7]), E – modulul de elasticitate longitudinală (al lui

Young) al materialului din care confecţionează PG (pentru oţel admiţându-

se măsura E = 2,1·1011

Pa), iar IPG – momentul geometric axial al secţiunii

transversale a PG, a cărui expresie, pentru PG circulare, este

44

64

πi.PGPGPG DDI . (2.28)

Lungimea critică a porţiunii din An.PG supuse la compresiune (care

participă la realizarea lui FS) se determină cu relaţia:

73

PG.a

cr.Scr.PG.An

q

FL (2.29)

sau

3

PG.a

PGfcr.PG.An

q

IEcL

, (2.30)

care rezultă prin înlocuirea formulei (2.27) în expresia anterioară (2.29).

Mărimea de sub radicalul din relaţia de mai sus, şi anume:

PG.a

PGPG

q

IE V , (2.31)

se numeşte volum de rigiditate la gravitaţie al PG (conform prof. N.

Pârvulescu [2.7]), deoarece are dimensiunea unui volum:

3

4

2

dim

dimdimdim L

L

F

LL

F

q

IE

PGa

PG

PG

.

V , (2.32)

unde prin dim( ) s-a notat dimensiunea mărimii fizice din paranteză, F –

forţa, iar L – lungimea.

Se constată că FS.cr şi LAn.PG.cr depind de mărimile caracteristice ale

PG, adică modulul geometric axial al secţiunii transversale şi greutatea

unitară, respectiv, masa unitară (m1.PG), pentru că există relaţia:

gmq PGPG .1 , (2.33)

şi de densitatea fluidului de foraj [vezi relaţia (2.26)].

Dacă are loc inegalitatea

crPGAnPGAnL LLc...

, (2.34)

înseamnă că An.PG îşi pierde stabilitatea (flambează) prin aplicarea forţei

de apăsare pe sapă (FS).

Pentru evitarea fenomenului de flambaj al An.PG, de obicei, se

utilizează stabilizatori (St), în număr de 1, până la 4, care se intercalează

între prăjinile grele (PG), la anumite distanţe. De asemenea, se folosesc PG

pătrate (cu conturul exterior pătrat), care au o rigiditate mai mare decât PG

circulare, utilizate în mod obişnuit, sau St şi PG pătrate sau numai St de

tipul uzual sau St de tipul manşon, montaţi pe PG prin inel elastic.

În fig. 2.17 se prezintă diferite modalităţi de alcătuire a An.Ad al

unei garnituri de foraj: a) cu PG pătrate; b) cu un St excentric la partea

inferioară, PG circulare şi un St obişnuit (de un anumit tip); c) numai cu St;

d) cu doi St şi o PG pătrată între ei; e) cu trei St între care se montează câte

o PG circulară; f) cu patru St, amplasaţi între PG, la diferite distanţe: primul,

deasupra sapei, la 0,9 m ÷1 m, al doilea la 4 m ÷5,2 m, al treilea la 15 m ÷

16 m iar al patrulea la 26 m; g) cu St, de tipul manşon, montaţi pe PG prin

inel elastic la diferite distanţe: primul, deasupra sapei, la 1 m, al doilea la 4,5

m, al treilea la 12 m ÷ 13 m şi al patrulea la 20 m.

Se constată că există un St montat deasupra sapei pentru limitarea

deplasării laterale a sapei. El poate avea şi rol de corector al diametrului

74

găurii de foraj, în situaţia în care sapa se decalibrează prin uzare. Ca urmare,

deasupra sapei se montează un corector-stabilizator (cu role) (Cor-St.Ro).

Tabelul 2.1. Amplasarea optimă a stabilizatorilor (LSt.j, j = 1, 2, 3, 4) în

funcţie de FS şi de θ [2.5]

FS, kN 89 178 267

θ, grade LSt.j (j = 1, 2, 3, 4), m

1 0,9; 4,3; 15,9; 28,4 0,9; 4,0; 15,0; 29,0

3 0,9; 5,2; 16,2; 26,2 0,9; 4,9; 15,0; 27,4

6 0,9; 4,6; 15,5; 26,8 0,9; 4,6; 15,2; 27,4 0,9; 4,3; 14,6; 28,0

10 0,9; 4,0; 15,0; 27,7 0,9; 4,0; 15,0; 28,4 0,9; 4,0; 15,0; 28,7

a b c d e f g

Fig. 2.17. Modalităţi de alcătuire a ansamblului de adâncime al unei garnituri de foraj [2.5]

Varianta de alcătuire a An.Ad prezentată în fig. 2.17.f este verificată

analitic şi experimental, iar amplasarea optimă a St, în cazul folosirii a patru

St, este precizată în tabelul 2.1 (conform [2.5]), prin distanţa optimă a

fiecărui St faţă de sapă (LSt.j, j = 1, 2, 3, 4), în funcţie de unghiul mediu de

deviere (θ) şi de măsura forţei de apăsare pe sapă (FS).

2.7. Procesul de foraj

Procesul de foraj (Pro.F) prin metoda de foraj rotativ-hidraulică

(MFR-H) este procesul fizic şi tehnologic complex, mecano-hidraulic, de

fisurare, dislocare şi fărâmiţare/ sfărâmare şi de aşchiere a rocii din

formaţiunea străbătută (depozitul de roci străbătut) şi de îndepărtare a

detritusului13

de pe pragul găurii de foraj (talpa puţului).

13

Detritusul este materialul rezultat din procesul de foraj, prin dislocarea, sfărâmarea şi

aşchierea rocii.

75

Pro.F înglobează următoarele:

1) procesele de fisurare a rocii, de dislocare (separare a unor bucăţi

de rocă din depozitul de roci sedimentare), de fărâmiţare şi aşchiere a

acestora, pe care le cuprindem în denumirea de proces de fisurare-

dislocare-fărâmiţare (Pro.Fis-D-Farm) sau, pe scurt, proces de dislocare

(Pro.D);

2) procesul de evacuare (Pro.Ev), prin spălarea (Sp) tălpii puţului,

adică îndepărtarea detritusului din zona de acţiune a elementelor de

dislocare ale sapei în zona în care transportul lui devine posibil;

3) procesul de transport (Pro.T) al detritusului în spaţiul inelar de

deasupra sapei, până la suprafaţă (în cazul circulaţiei directe).

Pro.F are loc prin:

a) acţiunea mecanică de forare, realizată prin antrenarea sapei (şi a

elementelor ei tăietoare) în mişcare de rotaţie, cu un moment de torsiune MS,

şi apăsarea ei cu o forţă FS, rezultând, prin interacţiunea complexă rocă (R)-

sapă (S)-garnitură de foraj (Gar.F)-sistem de rotaţie (SR), o anumită măsură

a vitezei unghiulare (ωS); ca urmare, este necesar să se dispună la sapă de o

putere mecanică

SSS MP ω ; (2.35)

b) acţiunea hidro-mecanică, de impact cu roca, a jeturilor de fluid

de foraj, care ies prin duzele sapei, cu viteza vj, şi spală elementele tăietoare

ale sapei şi talpa găurii de foraj, îndepărtând, prin circulaţie, depunerile de

detritus, pentru care este necesar ca fluidul de foraj, ajuns la sapă, să dispună

de putere hidraulică

SSSh QpP .

. (2.36)

Desfăşurarea Pro.F este influenţată de mai mulţi factori, care pot fi

grupaţi astfel:

1) caracteristicile fizico-mecanice ale rocilor care sunt dislocate, în

condiţiile existente la talpa puţului (rezistenţa şi duritatea, proprietăţile

elasto-fragile sau plastice, abrazivitatea etc.);

2) caracteristicile constructive ale sapei (tipul constructiv, diametrul

nominal, notat cu DS, etc.);

3) factorii tehnologici:

– forţa de apăsare pe sapă (FS),

– turaţia (nS), respectiv, viteza unghiulară a sapei (ωS),

– debitul de fluid de foraj, necesar la sapă (QS),

– viteza jeturilor (vj),

– proprietăţile fluidului de foraj (densitatea, ρf, concentraţia

volumică în particule solide, cs, viscozitatea dinamică la

temperatura T, ηf.T, viteza de filtrare, vfil, viteza de colmatare,

vcol, ş.a.).

Caracteristicile fizico-mecanice ale rocilor sunt factori obiectivi,

naturali.

Tipul sapei, varianta constructivă a acesteia şi DS se aleg în funcţie

de: destinaţia forajului, metoda de foraj, caracteristicile fizico-mecanice ale

rocilor care urmează să fie dislocate şi domeniile posibile de variaţie a

mărimilor de lucru.

76

Factorii tehnologici reprezintă mărimile funcţionale de foraj.

Măsurile lor se numesc parametri de foraj sau de lucru. Aceştia sunt

programaţi şi controlaţi de operatori (inginerul de foraj, sondorul-şef şi

laborantul de fluid de foraj), pe baza programului de foraj.

Se notează cu F mărimile caracteristice ale fluidului de foraj, cu M

mărimile mecanice şi cu H mărimile hidraulice. Aceste mărimi sunt

reprezentate prin următoarele matrici-coloană:

col

fil

Tf

s

f

v

v

c

.F ;

S

S

S

M

F

M ;

j

S

S

v

Q

p

H . (2.37)

Regimul de foraj (RF) este dat de ansamblul parametrilor de foraj,

reprezentat prin matricea următoare

HMFRF , , , (2.38)

unde μ(F) reprezintă parametrii fluidului de foraj; μ(M) – parametrii

mecanici; μ(H) – parametrii hidraulici.

2.8. Eficienţa procesului de foraj

În timpul săpării/ forajului cu o anumită sapă, aleasă în mod adecvat,

într-o formaţiune cu un anumit tip de rocă, se pune problema eficienţei

procesului de foraj (Ef.Pro.F).

Eficienţa activităţii de foraj este evaluată cu ajutorul unor indicatori

tehnico-economici calitativi şi cantitativi.

Indicatorii calitativi ai activităţii de foraj pot fi consideraţi

următorii:

realizarea programului de investigaţie geologică şi geofizică a

formaţiunilor traversate şi de probare a celor presupuse productive;

asigurarea verticalităţii sondei sau a traseului proiectat al acesteia;

deschiderea straturilor productive fără să se afecteze caracteristi-

cile şi productivitatea lor;

atingerea obiectivului fără accidente sau complicaţii tehnologice

etc.

Indicatorii cantitativi ai activităţii de foraj sunt:

durata de lucru efectiv al sapei pe talpă (timpul de săpare cu o

sapă), tS;

lungimea de gaură forată de o sapă („avansarea”14

sapei), hS;

viteza (medie) de avansare a sapei, vAv,

14

Termenul de „avansare” a sapei, folosit pentru a desemna lungimea de gaură forată de o

sapă este impropriu, deoarece „avansarea” înseamnă „acţiunea de a avansa”, adică acţiunea

de a merge, de a înainta (pentru a se apropia de o ţintă oarecare) (cf. DEX) şi nicidecum o

lungime.

77

S

SAv

t

hv ; (2.39)

viteza de avansare pe o rotaţie (adâncirea/„avansarea” ciclică), hC.S,

S

AvSC

n

vh . (2.40)

sau

SS

SSC

nt

hh

. , (2.41)

în care vAv se măsoară în m/min, iar turaţia sapei, nS, în rot/min,

rezultând [hC.S] = m/rot;

alte viteze de foraj;

costuri şi consumuri specifice (de materiale, energie, combustibil)

calculate pe metrul forat;

numărul de puţuri forate într-o anumită perioadă;

recuperajul, în cazul carotajului mecanic,

ş.a.

Eficienţa procesului de foraj (Ef.Pro.F) se măsoară/ stabileşte prin:

timpul de săpare cu o sapă, tS;

„avansarea” sapei hS;

viteza (medie) de avansare a sapei, vAv;

viteza de avansare pe o rotaţie („avansarea” ciclică), hC.S;

costul metrului forat, Cm,

S

SSm

h

tCCC

1 , (2.42)

unde CS este costul sapei; C1 – costul unitar (pe unitatea de timp)

total, adică costul unitar al instalaţiei de foraj (IF) şi al personalului

de execuţie (adică include amortismentele IF, ale Gar.F, diversele

chirii, costul energiei, al combustibilului, al fluidului de foraj,

retribuţiile directe şi cheltuielile indirecte).

Ef.Pro.F înseamnă obţinerea unei viteze de avansare maxime (vAv.M)

sau a unei „avansări” ciclice maxime (hC.S.M), în condiţiile unor cheltuieli

minime (deci, ale unui cost minim al metrului forat, Cm.m).

Se obţine vAv.M sau hC.S.M atunci când se realizează o spălare perfectă

a tălpii puţului şi a sapei.

Se consideră că spălarea tălpii puţului este perfectă, dacă detritusul

rezultat din interacţiunea dantură/ elemente tăietoare-rocă este imediat şi

complet îndepărtat (evacuat), astfel încât toate elementele active ale sapei să

acţioneze numai în „roca vie”. În acest caz, energie mecanică consumată

pentru procesul de dislocare este minimă. Dacă spălarea este imperfectă,

atunci o parte din energia mecanică este consumată inutil, şi anume, pentru

fărâmiţarea fragmentelor de rocă deja formate, dar neîndepărtate de la locul

lor sau de pe talpă. Această acţiune (suplimentară) de refărâmiţare poate fi

benefică pentru o evacuare mai uşoară şi un transport mai uşor, deci cu o

energie hidraulică mai mică. De aceea, se considreră că Pro.F este eficient

atunci când, pentru o alegere adecvată a sapei pentru tipul respectiv de rocă,

78

se asigură dislocarea unor particule de rocă cu astfel de dimensiuni, încât

pot fi îndepărtate / evacuate şi transportate imediat şi complet.

Rezultă că Pro.F are eficienţă maximă (Ef.M) în situaţia în care se

realizează dislocarea particulelor de rocă, evacuarea de pe talpa puţului şi

transportul detritusului cu un consum energetic mecano-hidraulic minim,

rezultând o adâncire ciclică (viteză de avansare pe rotaţie) maximă sau

viteză (medie) de avansare a sapei maximă şi un cost minim al metrului

forat:

mm

MSCMAvMS

mS

C

hvh

E

.

....

.

//Ef.M.Pro.F , (1.43)

unde ES.m este energia totală de săpare minimă,

mSHSMmS EEE ... , (2.44)

EM.S fiind energia mecanică consumată de sapă în procesul de dislocare,

adică este energia de dislocare,

DSM EE . ; (2.45)

iar EH.S – energia hidraulică consumată la sapă în zona sapă-talpă (ZS-T)

pentru procesele de dislocare (Pro.D), evacuare (Pro.Ev) şi transport

(Pro.Tr).

Deci, eficienţa maximă a procesului de foraj (Ef.M.Pro.F) se obţine

printr-o triplă optimizare a Pro.F. Regimul de foraj (RF) fiind ansamblul

parametrilor de foraj, înseamnă că Ef.M.Pro.F se obţine printr-o dublă

optimizare a regimului de foraj (Opt.RF), care constă în alegerea acelor

parametri ai fluidului de foraj μo(F), acelor parametri mecanici ai sapei

μo(M) şi acelor parametri hidraulici la sapă μo(H), denumiţi optimi, care să

ducă la un consum minim de energie mecano-hidraulică şi o adâncire ciclică

maximă, în condiţiile realizării unui cost minim pe metrul forat.

Reuşita Opt.RF depinde de cantitatea de informaţii disponibile

referitoare la caracteristicile fizico-mecanice ale rocilor care sunt dislocate,

gradul de uzură a sapei (Grd.US ≡ US) şi parametrii de foraj (RF).

Informaţiile disponibile pot avea caracter statistic sau operativ.

Informaţiile cu caracter statistic provin din timpul forajelor anterioare în

aceeaşi structură geologică sau în alte structuri asemănătoare. Informaţiile

cu caracter operativ sunt obţinute în timpul desfăşurării Pro.F, fiind

prelucrate şi folosite imediat, în funcţie de sistemele de control şi de

comandă ale Pro.F cu care este echipată instalaţia de foraj.

O adaptare rapidă şi eficientă a parametrilor de foraj (RF) la

condiţiile de lucru [rocă (R) şi Grd.US ≡ US] şi, deci, o optimizare dinamică

a Pro.F se obţine cu ajutorul sistemelor de conducere a Pro.F cu

calculatoare de proces, utilizând aparatura, cu circuite integrate, de

măsurare în timpul forajului (MWD = „Measurement-While-Drilling”, în

lb.en.).

Problema Ef.M.Pro.F, aşa cum este formulată mai sus, este, din

punct de vedere matematic, o problemă de programare dinamică neliniară,

79

simultană, a trei funcţii de scop15

: ES, hS/ vAv/ hC.S şi Cm. În cazul Opt.RF,

sunt două funcţii de scop: ES şi hS/ vAv/ hC.S.

Observaţie. Deoarece gradul de uzură a sapei (Grd.U.S) creşte în

timp, funcţia de scop hS trebuie să ia în consideraţie uzura totală (cumulată)

a sapei pe întreaga durată de funcţionare a sapei tS până la Grd.US (maxim)

admisibil (US.ad). Dacă se admite ca funcţie de scop vAv, determinată pe

intervalul ΔtS, adică

S

SAv

t

hv

, (2.46)

atunci vAv trebuie să ia în consideraţie uzura cumulată a sapei pe acest

interval. În situaţia în care funcţia de scop este hC.S, trebuie să se considere

uzura sapei la fiecare ciclu (rotaţie).

Viteza de avansare a sapei vAv, ca funcţie de scop, poate fi folosită în

cazul săpării la adâncime mică, când vAv este mare, timpul de manevră fiind

redus în raport cu timpul de săpare cu o sapă tS, şi, de asemenea, în cazul

săpării pentru efectuarea unor studii de forabilitate, în vederea aprecierii

influenţei unor modificări constructive ale sapei sau a influenţei unor

parametri tehnologici.

„Avansarea” sapei hS, ca funcţie de scop, este convenabil să se

folosească în situaţia săpării la adâncime mare, când timpul de săpare cu o

sapă tS este redus în raport cu timpul de manevră şi, de asemenea, în cazul în

care costul sapei CS este mare în raport cu celelalte cheltuieli aferente unui

marş, de exemplu, în cazul sapelor cu diamante.

2.9. Rezumat

Capitolul începe cu prezentarea tipurilor principale de sape de foraj

utilizate astăzi în şantierele de foraj.

În subcapitolul „Garnitura de foraj”, se prezintă funcţiile şi

componenţa acestei garnituri, ca şi rolurile ansamblului de adâncime

(An.Ad) şi ansamblului superior (An.S).

Se constată că elementele tubulare ale Gar.F sunt asamblate prin

îmbinări filetate cu umăr (ÎFU), cu filete conice, existând mai multe tipuri

de îmbinări, dintre care tipul NC este adoptat ca să înlocuiască celelalte

tipuri, FH şi IF, care devin perimate. Se prezintă semnul grafic de

nominalizare a îmbinării NC.

Deoarece ÎFU este veriga slabă a Gar.F, în general, respectiv a

prăjinilor grele (PG), în special, adică zona unde se produce majoritatea

ruperilor, se acordă atenţie secţiunilor critice ale acesteia. Astfel, se

evidenţiază solicitările la care sunt supuse îmbinările PG şi fenomenele care

duc la degradarea lor, în mod special fenomenul de oboseală, şi se stabileşte

valoarea optimă a raportului i, astfel încât să se preîntâmpine apariţia

fisurilor de oboseală în secţiunile critice. De aceea, i reprezintă o mărime

importantă ce caracterizează construcţia PG şi care este precizată în

standardul respectiv.

15

Funcţia de scop, numită şi criteriul optimal, este funcţia supusă optimizării (maximizării

sau minimizării).

80

Pe baza unei scheme de calcul, se determină expresia forţei de

apăsare pe sapă şi, apoi, a lungimii necesare a An.Ad în funcţie de această

forţă şi de unghiul mediu de deviere de la verticală a găurii de foraj. Se

demonstrează că există un unghi maxim de deviere până la care se poate

realiza forţa de apăsare pe sapă în mod clasic. În continuare, se prezintă

modul cum se poate realiza forajul direcţional şi orizontal şi componenţa

corespunzătoare a Gar.F.

Având în vedere solicitarea la compresiune a unei părţi din lungimea

An.Ad, datorită aplicării forţei de apăsare pe sapă, se impune verificarea la

flambaj a acestui ansamblu. Ca urmare, se prezintă efectele negative ale

manifestării pierderii de stabilitate a An.PG, atât asupra PG, cât şi asupra

forajului, se exprimă formula pentru aprecierea lungimii critice a porţiunii

din An.PG supuse la compresiune şi se arată diferite modalităţi de alcătuire

a An.Ad care să evite fenomenul de flambaj al acestuia în timpul forajului.

Este studiat procesul de foraj (Pro.F) prin metoda de foraj rotativ-

hidraulică, distingându-se trei procese fizice care-l compun: procesul de

fisurare-dislocare-fărâmiţare a rocii, procesul de evacuare a detritusului şi

procesul de transport al acestuia până la suprafaţă. Sunt evidenţiaţi factorii

care influenţează desfăşurarea Pro.F şi factorilor tehnologici/ mărimilor

funcţionale de foraj, ale căror măsuri reprezintă regimul de foraj.

În sfârşit, se studiază eficienţa procesului de foraj, definindu-se

mărimile prin care se apreciază aceasta, eficienţa maximă şi optimizarea

regimului de foraj, care se poate face, în condiţiile actuale de dezvoltare a

tehnologiei de foraj, cu ajutorul sistemelor de conducere a Pro.F cu

calculatoare de proces, utilizând aparatura/ sistemul de măsurare în timpul

forajului („MWD System”).

2.10. Aplicaţii

Aplicaţia 2.1 (A.2.1). Să se calculeze lungimea ansamblului de

prăjini grele din cadrul Gar.F utilizate pentru forajul puţului de exploatare al

Sondei 78 Runcu (vezi Aplicaţia 1.1), ştiind că ρf = 1,50 t/m3, θ = 3°, μa =

0,3, cL = 0,85 şi prăjinile grele circulare (PG) se caracterizează prin: DPG = 6

in = 152,4 mm; DPG.i = 213

/16 in = 71,4 mm; ÎFU de tipul NC 44; m1.PG =

111,5 kg/m!

Rezolvare

Lungimea ansamblului de PG (LAn.PG) se calculează cu relaţia (2.18).

Greutatea unitară a PG se determină cu formula (2.33) şi se obţine:

m

kN094,1

m

N 815,1093

s

m 81,9

m

kg 5,111

2PGq .

Forţa de apăsare pe sapă se apreciază cu relaţia empirică:

SS DHF 5105,73,0 ,

unde [H] = m, [DS] = mm şi [FS] = kN. Folosind datele de mai sus, rezultă:

kN 9,102kN 5,171104105,73,0 35

SF .

Folosind expresia (2.18), se obţine:

81

m 2,139m 173,139

3sin30-cos385,7

5,11

m

kN 094,185,0

kN 9,102

,

.PGAnL .

Se determină numărul de PG cu relaţia:

PG

PGAn

PGl

Ln . ,

unde lPG reprezintă lungimea unei PG. Dacă se admite pentru lPG măsura

normală, care este egală cu 9 m, atunci se obţine

5,159

2,139PGn .

Se alege nPG = 16 şi rezultă

m 144m 916 PGAnL.

.

Se recalculează coeficientul de lungime al An.PG:

821,0

3sin30-cos385,7

5,11

m

kN 094,1m 144

kN 9,102

,

Lc

şi se constată că valoarea lui se găseşte în domeniul recomandat, adică

[0,70; 0,85].

Aplicaţia 2.2 (A.2.2). Să se verifice la flambaj An.PG ale cărui

măsuri ale mărimilor caracteristice sunt prezentate în Aplicaţia 2.1. Care

trebuie să fie componenţa ansamblului de adâncime?

Rezolvare

Verificarea la flambaj constă în verificarea îndeplinirii sau nu a

condiţiei (2.34).

Lungimea supusă la compresiune a An.PG este cL· LAn.PG, adică:

m 2,118m 224,118m 144821,0 PGAnL Lc.

.

Această lungime se compară cu lungimea critică de flambaj a

An.PG, care se calculează cu formula (2.30).

Se determină, mai întâi, momentul geometric axial al secţiunii

transversale a PG cu relaţia (2.28) şi rezultă:

454444 m 105203757,2cm 3757520, 2cm 14,724,1564

π PGI .

Apoi, se calculează greutatea unitară aparentă a PG cu formula

(2.26); se obţine:

m

kN 885,0

85,7

5,11

m

kN 094,1

PGaq

..

Folosind (2.31), măsura volumului de rigiditate la gravitaţie al PG

este:

82

33

3

45

2

11

m 10981,5

m

N 10885,0

m 105203757,2m

N 101,2

PGV .

Rezultă imediat măsura lungimii critice de flambaj a An.PG:

...

m 31m 858,30m 10981,57,1 3 33 crPGAnL

Comparând măsurile celor două lungimi, se constată:

m 31m 2,118 crPGAnPGAnL LLc...

,

ceea ce înseamnă că An.PG flambează/ îşi pierde stabilitatea sub acţiunea

forţei de apăsare pe sapă.

Având în vedere efectele nefavorabile ale acestui fenomen asupra

procesului de foraj, ca şi asupra durabilităţii prăjinilor grele (respectiv,

asupra ÎFU a acestora), trebuie să se ia măsuri pentru evitarea lui. O măsură

practică este utilizarea unor elemente de stabilizare a An.PG, ca de exemplu

stabilizatori. Astfel, pentru θ = 3° şi FS = 102,9 kN, din tabelul 2.1, se

deduce că se pot folosi patru stabilizatori (St), amplasaţi între PG, la diferite

distanţe, şi anume: deasupra sapei se montează un corector-stabilizator (cu

role), la distanţa de 0,9 m faţă de sapă, apoi la distanţele de 5,2 m, 16,2 m şi,

respectiv, 26,2 m, tot faţă de sapă, se montează, intercalat între prăjini grele,

al doilea, al treilea şi, respectiv, al patrulea stabilizator.

Deci, An.Ad este compus din PG şi patru St amplasaţi între PG, aşa

cum se precizează mai sus.


1) A) Care sunt tipurile principale de sape utilizate poentru forajul de

explorare şi exploatare? B) Descrieţi construcţia fiecărui tip şi precizaţi

domeniile de folosire!

2) A) Care sunt funcţiile Gar.F în timpul forajului? B) Care sunt cele două

părţi mari componente ale Gar.F? C) Care sunt rolurile lor? D) Din ce sunt

alcătuite?

3) A) Ce înseamnă NC 46? B) Să se justifice, ştiind că D = 117,5 mm!

4) A) Care sunt secţiunile critice ale îmbinării filetate cu umăr a prăjinilor

grele? B) Care sunt solicitarea principală şi fenomenul asociat ei care

produc ruperea în aceste secţiuni?

5) A) Care este mărimea care evidenţiază rezistenţa la oboseală a îmbinării

filetate cu umăr (ÎFU) a prăjinilor grele (PG)? B) Să se indice valoarea

acestei mărimi pentru PG circulare cu DPG = 7" şi DPG.i = 2¼", folosind

STAS 11 609-80, şi să se compare cu valoarea optimă!

6) Cum se realizează forţa de apăsare pe sapă, în cazul forajului clasic?

a) se acţionează din exterior cu o forţă de apăsare pe întreaga garnitură de

foraj; b) se lasă pe sapă greutatea ansamblului de adâncime, considerat în

aer; c) se lasă pe sapă o parte din greutatea aparentă a ansamblului de

adâncime; d) se lasă pe sapă o parte din greutatea aparentă a Gar.F.

7) A) Cum se verifică la flambaj un ansamblu de adâncime (A.Ad)? B) În ce

situaţie este posibil să apară acest fenomen?

83

8) Care este modalitatea practică obişnuită de evitare a flambajului An.Ad?

a) utilizarea de prăjini grele cu perete gros; b) un corector-stabilizator

deasupra sapei şi stabilizatori intercalaţi între prăjinile grele, la anumite

distanţe faţă de sapă; c) un amortizor de şocuri şi vibraţii deasupra sapei,

prăjini grele cu perete gros şi stabilizatori, la diferite distanţe faţă de sapă.


1) Să se calculeze lungimea ansamblului de prăjini grele (An.PG) dintr-o

Gar.F, cunoscând următoarele: Fs = 165 kN, qPG = 1211 N/m, ρf = 1,4 t/m3,

θ = 6°, μa = 0,3, cL = 0,8!

2) A. Să se verifice la flambaj ansamblul de PG folosit pentru forajul în

următoarele condiţii: DPG = 6¼", DPG.i = 213

/16", ρf = 1,3 t/m3, FS = 14 tf, θ =

9º, μa = 0,3. B. Care trebuie să fie componenţa ansamblului de adâncime?


1) A) sapele cu role-con şi sapele cu cuţite fixe; 2) A) transmiterea puterii

mecanice de rotaţie la sapă, realizarea forţei de apăsare pe sapă, permiterea

circulaţiei fluidului de foraj pentru spălarea tălpii puţului de detritus; B)

An.Ad şi An.S; C) An.Ad: realizarea forţei de apăsare pe sapă; AnS:

legătura între prăjina de antrenare şi An.Ad; D) An.Ad: PG şi St; An.S: PF;

3) A) îmbinare filetată de tipul Numbered Connection, cu [10·w(D)] = 46,

unde 87515,

FDD , [D] = in; B) D = 117,5 mm = 4,626 in, w(D) = 4,626,

10·w(D) = 46,26, [10·w(D)] = [46,26] = 46; 4) A) pentru cep: secţiunea

dintre dreptul ultimei spire angajate a cepului, aflată la distanţa egală cu

19,05 mm faţă de umăr; pentru mufă: secţiunea dintre dreptul ultimei spire

angajate a mufei, aflată la distanţa egală cu lungimea cepului, faţă de umăr;

B) încovoiere; fenomenul de oboseală; 5) A) i = Cl

MW / 0519 ,

CW ; B) i = 2,54

> iopt = 2,5; 6) c; 7) A) se compară lungimea porţiunii de An.Ad care este

supusă la compresiune cu lungimea critică de flambaj; B) dacă prima

lungime este mai mare decât a doua; 8) b.

Bibliografie

2.1. Wamslay, W. H. Jr., Robert Ford Smith, Intoduction to Roller-Cone and

Polycristalline Diamond Drill Bits. Chapter 5. În Petroleum Engineering

Handbook. Volume II, Drilling Engineering. Society of Drilling Engineers,

2006.

2.2. * Roller-Cone Bit Classification.

http://petrowiki.spe.org/Roller_cone_bit_classification

2.3. * PDC Bit Classification. http://petrowiki.spe.org/PDC_bit_classification.

2.4. * API Spec. 7. Specification for Rotary Drill Stem Elements. American

Petroleum Institute.

2.5. Ulmanu, V., Material tubular petrolier. Editura Tehnică, Bucureşti, 1992.

2.6. Ioniţă, M., Dinu, M., Negulescu, V., Consideraţii privind tehnologia de foraj

slim hole. Revista Română de Petrol, decembrie 2004.

2.7. Pârvulescu, N. S, Mecanica tubului pentru foraj şi extracţie. Editura

Academiei R.S.R, Bucureşti.

http://petrowiki.spe.org/Roller_cone_bit_classification

http://petrowiki.spe.org/PDC_bit_classification

84

MODULUL 2

INSTALAŢIA DE FORAJ ÎN ANSAMBLU

CONŢINUT

CAPITOLUL 3. STRUCTURA ŞI MĂRIMILE CARACTERISTICE

ALE INSTALAŢIEI DE FORAJ ……………………………………....... 86

3.1. Tipurile de instalaţii de foraj ................................................................ 86

3.2. Componenţa instalaţiei de foraj şi transmiterea fluxului energetic ..... 90


componenţa lui ................................................................................... 102

3.4. Cerinţele structural-funcţionale ale unui sistem de lucru .................. 105

3.5. Mărimile fizice proprii, parametrii şi caracteristicile instalaţiei de

foraj şi ale utilajelor componente ...................................................... 111

3.6. Forţa/ Sarcina de la cârlig .................................................................. 114

3.7. Acţionarea .......................................................................................... 126

3.8. Structura funcţională .......................................................................... 129

3.9. Puterea instalată ................................................................................. 133

3.10. Rezumat ........................................................................................... 138

3.11. Aplicaţii ........................................................................................... 138




Bibliografie ...................................................................................... 144

4. STUDIUL LANŢURILOR CINEMATICE ALE SISTEMELOR

DE LUCRU .............................................................................................. 146

4.1. Transmisiile mecanice utilizate în cadrul lanţurilor cinematice ........ 146

4.2. Construcţia transmisiei cu lanţ şi mărimile sale constructiv-

geometrice .......................................................................................... 154

4.3. Fenomenul de oboseală a ansamblului rolă-bucşă ............................. 160

4.4. Structura lanţurilor cinematice ale sistemelor de lucru .................... 164

4.5. Modul de obţinere a treptelor de viteză ............................................. 172


cinematic ............................................................................................ 175

4.7. Rezumat ............................................................................................. 176

4.8. Aplicaţii ............................................................................................. 176




Bibliografie ...................................................................................... 181

85

OBIECTIVE:

Cunoaşterea componenţei instalaţiei de foraj (IF), a mărimilor sale

caracteristice şi a rolului funcţional al elementelor sistemului de lucru;

Cunoaşterea transmisiilor mecanice din cadrul sistemelor de lucru ale IF şi

a mărimilor lor caracteristice;

Citirea schemelor cinematice ale IF şi determinarea traseului fluxului

energetic în cadrul acesteia;

Determinarea modului de obţinere a treptelor de viteză, a numărului de

trepte de viteză şi a mărimilor funcţionale ale arborelui caracteristic al

sistemului de lucru;

Formarea unei gândiri inginereşti: de alegere a instalaţiei de foraj; de

apreciere a utilizării eficiente a puterii de acţionare a unui sistem de lucru;

de determinare a structurii funcţionale a instalaţiei de foraj în funcţie de

tipul acţionării; de calcul al mărimilor funcţionale ale arborelui caracteristic

al sistemului de lucru.

TERMENI-CHEIE:

instalaţie de foraj; sistem de lucru; mărime funcţională; sarcină de la cârlig;

acţionare; structură funcţională; putere instalată; lanţ cinematic; transmisie

mecanică; transmisie prin lanţ; fenomen de oboseală a ansamblului rolă-

bucşă; relaţie structurală; treaptă de viteză; mod de obţinere a treptelor de

viteză; linie de cuplare; sistem de ecuaţii ale liniilor de cuplare.

86

CAPITOLUL 3

STRUCTURA ŞI MĂRIMILE CARACTERISTICE

ALE INSTALAŢIEI DE FORAJ

3.1. Tipurile de instalaţii de foraj

Instalaţia de foraj (IF) este un ansamblu de utilaje (U), care

formează echipamente (Eq), agregate sau sisteme de lucru (A/SL) şi

instalaţii (I), ce pot funcţiona separat sau, unele, simultan, pentru construirea

sondei de foraj, cu o anumită destinaţie, pentru efectuarea unor operaţii

legate de operaţia de foraj şi asigurarea securităţii tehnice şi care sunt

asamblate pe structuri metalice de rezistenţă, existând şi structuri de

protecţie, de depozitare de diferite produse etc.

Există o multitudine de tipuri de IF care face necesară o diferenţiere

a lor după diverse criterii de clasificare, şi anume:

1) metoda de foraj (Met. F);

2) destinaţia forajului (Dest.F);

3) diametrul final de foraj/ săpare (DS.PE), respectiv diametrul

coloanei de exploatare (DCE);

4) mediul ambiant (Med.Amb) în care funcţionează;

5) „capacitatea” (C);

6) tipul acţionării (TA);

7) modul de acţionare (MA);

8) gradul de transportabilitate (Grd.T);

9) gradul de mecanizare şi automatizare (Grd.Mec-Aut).

Structura IF este determinată de tipul acesteia.

Proiectarea structurală, alegerea tehnologiei de fabricaţie a

elementelor IF şi dotarea ei cu dispozitive şi echipamente de protecţie

împotriva accidentelor şi avariilor se fac astfel încât să se asigure niveluri

ridicate de fiabilitate şi de securitate în exploatare.

1) Metoda de foraj include:

i. sensul forajului;

ii. direcţia de foraj;

iii. tehnologia de foraj.

1.a) După sens, forajul se poate desfăşura:

a. descendent;

b. ascendent.

IF pentru prospecţiuni, pentru explorarea şi exploatarea zăcămintelor

de petrol şi gaze, pentru puţuri miniere de aeraj şi de exploatare etc. sunt

instalaţii care forează descendent.

Pentru forajul puţurilor de legătură dintre galeriile de nivel din mine,

de la un nivel inferior la altul superior, se utilizează instalaţii sau maşini de

forat ascendent.

1.b) După direcţie, forajul poate fi:

vertical sau cvasivertical;

87

deviat (neaccidental), cunoscut şi sub numele de „foraj

direcţional” („directional drilling”, în lb. en.) sau „foraj

înclinat” („slant drilling”, în lb. en.);

orizontal („horizontal drilling”, în lb. en.), care reprezintă, de

fapt, ultima porţiune a sondei.

1.c) Tehnologia de foraj poate fi:

– rotativă (R), care include:

• rotativ-hidraulică (R-H);

• rotativ-pneumatică (R-Pn);

– roto-percutantă (R-P), în care sapa are o mişcare de rotaţie şi

una de percuţie;

– percutantă (P), în situaţia în care dislocarea rocii are loc

numai prin mişcarea de percuţie a sapei.

În cazul tehnologiei rotative, antrenarea sapei în mişcare de rotaţie

se poate face:

a) de la suprafaţă, existând două variante:

cu masă rotativă (MR) şi garnitură de foraj (Gar.F);

cu cap hidraulic-motor (CH-M) („top drive”, în lb. en.) şi

Gar.F;

b) la adâncime, distingându-se două posibilităţi:

o cu motor de adâncime (M.Ad) (care poate fi electric,

hidrodinamic, care este o turbină de foraj, sau hidrostatic, de

exemplu, elicoidal) şi Gar.F;

o cu motor autonom (M.Aut) (fără Gar.F clasică) şi cablu

electric (dacă M.Aut este electric) sau furtun (dacă M.Aut

este hidraulic).

2) După destinaţia forajului, se disting:

– IF pentru prospecţiuni, care sapă puţuri de diametru mic şi

care pot fi:

IF geologic (tipurile SG, FG);

IF hidrogeologic (tipul FA);

IF seismic (tipul FS);

– IF pentru explorarea şi exploatarea zăcămintelor de petrol şi

gaze, care construiesc sonde de diametru normal sau

diametru mic („slimhole wells”, în lb. en.);

– IF pentru puţuri de diametru mare, folosite pentru

construcţia:

puţurilor miniere (de exploatare sau de aeraj), destinate

minelor de cărbune sau de diferite minerale utile;

puţurilor destinate efectuării exploziilor nucleare;

puţurilor de depozitare a deşeurilor radioactive;

găurilor de afloriment destinate protejării prevenitoarelor

de erupţie, în situaţia forajului în zonele arctice, unde

deplasarea gheţarilor ar putea distruge aceste

prevenitoare;

găurilor pentru instalarea piloţilor permanenţi utilizaţi

pentru montarea structurilor petroliere, marine,

88

permanente, sau pentru ancorarea unităţilor plutitoare de

foraj marin.

3) După diametrul final de foraj, IF pentru explorarea şi

exploatarea zăcămintelor de petrol şi gaze pot fi:

– IF de diametru normal, cu DS.PE [5⅝", 8¾"];

– IF de diametru îngust, cu DS.PE [3¾", 4⅛" (6¼")].

În subcap. 1.1, se prezintă avantajele din punct de vedere tehnologic

şi tehnic, ilustrate prin economii importante, pe care le aduce forajul

„găurilor înguste” în raport cu forajul de diametru normal (vezi şi

[3.1]÷[3.3]).

4) Din punctul de vedere al mediului ambiant în care funcţionează,

se disting (vezi fig. 3.1):

– IF terestre („onshore rigs”, în lb. en.), care funcţionează în

diverse condiţii de temperatură şi umiditate: temperate, de

deşert, tropicale, subpolare, polare (arctice);

– IF marine („offshore rigs”, în lb. en.), care sunt montate pe

diverse structuri marine (fixe sau mobile), în condiţii de

mare, cu temperaturi diferite, inclusiv polare sau subpolare.

Fig. 3.1. IF terestră şi IF marine, montate pe diferite structuri marine:

navă de foraj; semisubmersibil; platformă autoridicătoare; submersibil

Tabelul 3.1.

Categoriile de instalaţie de foraj (IF) în funcţie de HM şi de ℱ′M

Nr .

cr t . Categor ia de IF HM , km ℱ′

M , MN

1 Uşoară (U) ≤ 2,5 (2,8) 0,58; 0,89; 1,34

2 Medie (M) (2,5; 4,0] 2,23

3 Semigrea (SG) (4,0; 6,0] 3,12

4 Grea (G) (6,0; 8,5] 4,45; 5,79

5 Foarte grea (FG) (8,5; 10] 6,68

6 Ultra grea (UG) >10 > 8,9

5) „Capacitatea” unei IF poate fi:

sarcina maximă utilă de la cârlig (ℱ′M);

adâncimea maximă (HM): „C”{ ℱ′M; HM}.

În funcţie de „capacitate”, se pot pune în evidenţă, la ora actuală,

şase categorii de IF, conform tabelului 3.1.

89

6) Tipul acţionării (TA) desemnează tipul motoarelor sau grupurilor

de acţionare ale sistemelor/ agregatelor de lucru

principale.Astfel, IF clasice dispun de:

o acţionări autonome (vezi tabelul 3.2);

o neautonome (vezi tabelul 3.3).

Tabelul 3.2. Tipuri de acţionări autonome

Semnul

graf ic DH DH-M DEC DEWL DEA

Semnif icaţ ia

Diesel-

hidraulic

Diesel-

hidro-

mecanic

Diesel-

electric

în curent

continuu

Diesel-

electric cu

grup Ward-

Leonard

Diesel-

electric-

asincron

(cu convertoare

statice de

frecvenţă)

Tabelul 3.3. Tipuri de acţionări neautonome

Semnul

graf ic EHC EHs EC EA

Semnif icaţ ia

Electro-

hidraulic cu

convertizor

(hidraulic de

cuplu)

Electro-

hidrostatic

Electric, în

curent

continuu

(cu alimentare

de la reţea)

Electric-

asincron (cu

convertoare

statice de

frecvenţă)

7) În funcţie de modul de acţionare (MA) există IF cu:

– mod de acţionare individual (MAI);

– mod de acţionare centralizat (MAC), cu variantele MAC1 şi

MAC2 (cu grup motopompă sau electropompă);

– mod de acţionare mixt (MAM), cu variantele MAM1 (în care

pompele de noroi sunt acţionate individual) şi MAM2 (în

care masa rotativă sau capul hidraulic-motor are acţionare

separată – electro-hidrostatică).

Tabelul 3.4. Tipurile de instalaţii de foraj (IF) din punctul de vedere al gradului

de transportabilitate (Grd.Tr)

IF t ransportabile pe subansamblur i (SAn)

IF t ransport .

în s tare

semimontată

(S-M)

IF t ransport .

în s tare

montată

(M)

(pe „pad” -

ur i le

mul t isonde)

Transportabile

terestru (Tr.T)

(pe SAn

mari),

cu vehicule (V)

Aero-

transportabile

(pe SAn

mici) (A-Tr)

Hidro-

transportabile

(H-Tr)

• cu pneuri

(autocamion;

remorcă);

• cu şenile

(autotractor;

remorcă);

• cu pernă de aer.

• cu elicopterul

(H);

• cu avionul.

• cu vaporul;

• cu şlepul.

• pe autocamion;

• pe remorcă.

• cu deplasare

pe şine;

• cu deplasare

prin păşire.

8) Gradul de transportabilitate (Grd.Tr) înseamnă modalitatea prin

care instalaţia de foraj poate fi transportată la locul/

amplasamentul de foraj. Astfel, instalaţiile de foraj construite

90

astăzi pe întregul mapamond sunt transportabile (Tr), dar în

diferite moduri, conform tabelului 3.4.

Densitatea mare a forajelor cerute pentru extracţia gazelor din

zăcămintele cu permeabilitate redusă (zăcamintele neconvenţionale, în

special cele cu gaz de şist) a avut drept rezultat o creştere a gradului de

transportabilitate a IF pe „pad”16

-urile multisonde şi de la un „pad” la altul.

Tehnica respectivă, numită tehnica de „pad drilling” (foraj de „pad”),

permite să se foreze de pe acelaşi amplasament un grup de sonde, dar prin

deplasarea întregii instalaţii pe o distanţă mică. Pentru a fi identificată, IF

care utilizează această tehnică este numită „instalaţie de »pad drilling«”

(„pad drilling rig”, în lb. en.). Instalaţia de „pad drilling” reprezintă noua

tehnologie de IF care este necesară pentru actualele şi viitoarele foraje de

exploatare a gazelor de şist ([3.14], [3.15]).

9) În funcţie de gradul de mecanizare şi de automatizare (Grd.Mec-

Aut) ale operaţiilor de foraj şi manevră şi ale operaţiilor

auxiliare, respectiv de manipulare a materialului tubular

(prăjinilor şi burlanelor), a elementelor de raizer marin (la IF

montate pe structurile marine de foraj) şi a altor utilaje pe

platforma de lucru a IF, la ora actuală există următoarele trei

tipuri de instalaţii de foraj:

mecanizate;

semi-automatizate;

automatizate.

Majoritatea instalaţiilor de foraj construite până în prezent o

reprezintă instalaţiile de tipul mecanizat. Există, de asemenea, IF semi-

automatizate în număr mare. Dar, IF automatizate sunt în număr redus.

Bineînţeles că dezideratul, în ceea ce priveşte gradul de mecanizare şi de

automatizare, îl reprezintă automatizarea completă a IF, respectiv a

proceselor de lucru şi a operaţiilor auxiliare.

3.2. Componenţa instalaţiei de foraj şi transmiterea fluxului

energetic

Instalaţia de foraj (IF) are în compunerea sa două tipuri de

echipamente din punctul de vedere al poziţiei lor în raport cu sonda:

echipamentul de adâncime (Eq.Ad);

echipamentul sau instalaţia de suprafaţă (Eq./IS)

Eq.Ad este reprezentat de garnitura de foraj (Gar.F), motorul de

adâncime, dacă există, şi sapa. Eq.S/IS reprezintă instalaţia de foraj propriu-

zisă, pe care o denumim, în continuare, instalaţie de foraj (IF).

În fig. 3.2 se prezintă schema structurală şi de principiu a unei IF cu

MAC, cu două grupuri de acţionare de tipul diesel-hidraulic (DH), în timpul

forajului, iar în fig. 3.3 o vedere laterală, schematică, a acesteia, în cazul

manevrei Gar.F. în fig. 3.4 ÷ 3.6 se prezintă schematic o IF terestră, cu

16

„Well pad”-ul („Pad”-ul de sondă) sau „multi-well pad”-ul („pad”-ul de multisonde) sau

„drilling pad”-ul (pad”-ul de foraj) reprezintă un amplasament unde se forează un grup de

sonde multilaterale („well pad site”, în lb. en.).

91

acţionare DEC. Componenţa IF şi modul cum se transmite fluxul energetic

de la grupurile de acţionare (GA1 şi GA2) la toba de manevră (TM),

respectiv la cârlig (C), la masa rotativă (MR), respectiv la prăjina de

antrenare (PA), şi la pompele de noroi (PN1 şi PN2), reies din aceste figuri

(3.2 ÷ 3.6).

Utilajele (U) aflate în componenţa IF sunt de complexitate

constructivă diferită şi foarte diverse din punct de vedere funcţional. Ele pot

fi: maşini (motoare şi antoare), transmisii, dispozitive şi scule. Cu ajutorul

lor se formează echipamente şi agregate sau sisteme.

Fig. 3.2. Schema structurală şi de principiu a unei IF cu MAC, cu două grupuri de acţionare

de tipul DH: GA – grup de acţionare; GF – grup de foraj; D – motor diesel (GF ≡ D); CHC – convertizor hidraulic

de cuplu; TI – transmisie intermediară; I.Centr – intermediara centrală; tm – transmisie mecanică/

transmisii mecanice; TF – troliu de foraj; CV.A/SM+A/SR – cutie de viteze (CV) comună pentru

agregatul/ sistemul de manevră (A/SM) şi agregatul/sistemul de rotaţie (A/SR); TM – tobă de

manevră; RA – ramura activă a cablului; GF – geamblac de foraj: MA – mast; ÎC – înfăşurarea

cablului din cadrul maşinii macara-geamblac (M-G); RM – ramura moartă a cablului; TRM – toba

ramurii moarte; M – macara ; C – cârlig; MC – ansamblu macara-cârlig; CH – cap hidraulic;

CV.A/SR – cutie de viteze separată a A/SR; MR – masă rotativă; PM – pătraţi mari; Pm – pătraţi

mici; An.Ro – antrenor cu role; PA – prăjină de antrenare; Gar.F – garnitură de foraj; Prev.E –

prevenitor de erupţie; B.IF – beciul IF; Pl.L.IF – platforma de lucru a IF; S-Str – substructura; PN –

pompă de noroi; CA – conductă de aspiraţie; HA – habă de aspiraţie; FR – furtun de refulare; Cl –

claviatura pompelor; CR – conductă de refulare; Înc – încărcător; FN – furtun de noroi; J – jgheab (de

întoarcere a fluidului de foraj); SV – sită vibratoare; H.Dec – habă de decantare; HC – habă de

curăţire; Degaz – degazor; Demâl – demâluitor; Denisip – denisipator; Ag – agitator; P – puşcă; H.Pr-

T – habă de preparare-tratare a fluidului de foraj.

IF are trei sisteme/ agregate de lucru principale (S/ALP):

agregatul/ sistemul de rotaţie (A/SR);

agregatul/ sistemul de circulaţie (A/SC);

agregatul/ sistemul de manevră (A/SM).

SR îndeplineşte funcţia principală de antrenare în mişcare de rotaţie

a sapei, prin intermediul Gar.F (în cazul antrenării sapei de la suprafaţă, cu

MR sau cap hidraulic-motor), şi funcţia secundară de inversare, adică

92

rotaţia spre stânga a garniturii, pentru efectuarea operaţiilor de

instrumentaţie.

Funcţiunea SC este circulaţia fluidului de foraj pentru evacuarea

detritusului de la talpa puţului, rezultat prin dislocarea şi fărâmiţarea rocii de

către sapă. Prin circulaţia fluidului de foraj se menţine stabilitatea găurii

forate, în situaţia în care nu se forează, sapa fiind ridicată de pe talpa

puţului, se produce degajarea Gar.F prinse la puţ şi, de asemenea, se

acţionează pentru ţinerea la respect a zăcământului, respectiv înnăbuşirea

erupţiei acestuia.

Fig. 3.3. Vedere schematică a unei IF cu MAC, cu două grupuri de acţionare de tipul DH: Pl.GA – platforma GA; TI – transmisia intermediară (intermediara centrală) (I.Centr) a IF; 1, (-1) –

arbori ai TI; An.a.TM – ansamblul arborelui tobei de manevră; Pod.Pod – podul podarului; s – spaţiul

de siguranţă al MC; lp – lungimea pasului de prăjini de foraj; a.M – axul macaralei; Ch – chiolbaşi; El

– elevator; ℱ′ – sarcina utilă de la cârlig.

SM îndeplineşte următoarele funcţiuni:

o funcţia principală: manevra materialului tubular (Gar.F şi CB) în

puţul de foraj, care constă în operaţia de introducere a Gar.F şi a

CB în puţ şi operaţia de extragere a Gar.F din puţ;

o funcţiile secundare: antrenarea TM, pentru desfăşurarea cablului

de pe ea (inversarea mişcării de rotaţie a TM), cu scopul de a fi

înlocuit, în cazul în care s-a uzat; ridicarea şi coborârea

(rabaterea) mastului, la montarea IF, respectiv la demontarea ei.

Manevra Gar.F se face pentru înlocuirea sapei uzate cu alta nouă. La

IF clasice, această manevră (adică atât extragerea Gar.F, cât şi introducerea

ei) se efectuează pas cu pas. Un pas de prăjini este alcătuit, în funcţie de

înălţimea liberă a mastului (MA), din două, trei sau patru prăjini. Astfel,

dacă lp este lungimea unui pas de prăjini, atunci

PFp lnl , (3.1)

unde lPF este lungimea unei prăjini de foraj (PF) iar n – numărul de PF (n =

2, 3, 4). Lungimea normală a unei PF este de circa 9 m.

93

Fig. 3.4. Componenţa IF terestre, cu acţionare DEC (1) [2.19] (http://www.3drig.sig777.com/index.html)

http://www.3drig.sig777.com/index.html

94



95



96

Coloana de burlane (CB) se introduce în sondă pentru a tuba puţul

forat. Introducerea sa se face burlan cu burlan, după ce se înşurubează

fiecare burlan la coloana fixată în broasca cu pene/ broasca-elevator

(B.P/B-El), aşezată pe masa rotativă (MR).

Cu cele trei A/ SLP ale IF se obţin, în timpul forajului, parametrii

mecanici şi hidraulici ai procesului de foraj (Pro.F).

În cazul instalaţiilor de foraj cu mod de acţionare centralizat (MAC)

şi mixt (MAM), există transmisia intermediară (TI) sau intermediara

centrală (I.Centr), formată din mai multe transmisii cu lanţuri, cu raportul

de transmitere unitar (i = 1), numite transmisii intermediare, care însumează

puterea grupurilor de acţionare (GA) (de tipul DH, DH-M sau EHC) şi o

transmite/ repartizează fie la una din pompe sau la ambele pompe de noroi

(PN) şi la masa rotativă (MR) – în timpul forajului –, fie la toba de

manevră (TM) şi, în continuare, la maşina macara-geamblac (M-G) – în

timpul operaţiei de ridicare. GA se montează pe sănii, care sunt aşezate,

împreună cu TI/ I.Centr, pe platforma grupurilor de acţionare (Pl.GA).

Urmărind fluxul energetic în cadrul A/SM (vezi fig. 3.3), se constată

că puterea unui GA sau a ambelor GA, însumată la arborele 1 al lanţului

cinematic, este transmisă printr-o transmisie mecanică (tm), care, de obicei,

este de tipul unei transmisii cu lanţ (tl), la arborele de intrare în troliul de

foraj (TF). De aceea, această tm se numeşte transmisia de intrare în TF. TF

poate conţine o cutie de viteze (CV) comună pentru A/SM şi A/SR (CV

AM+AR). De la arborele condus al CV, puterea ajunge la arborele tobei de

manevră (a.TM) fie prin tl din partea stângă (dacă privim TM din faţă),

numită tl „de încet” (pentru că transmite turaţie joasă, pentru ridicarea

sarcinilor mari), fie prin tl din partea dreaptă, denumită tl „de repede”

(deoarece transmite turaţie mare, pentru ridicarea sarcinilor mici). Astfel,

este antrenat în mişcare de rotaţie arborele pe care se montează TM, ramura

activă (RA) a cablului de manevră înfăşurându-se pe ea. Pe arborele tobei

se montează şi tamburii frânei cu bandă (T.FB), ca şi ambreiajele

operaţionale (AO) ale TM. Din acest motiv, se vorbeşte despre un ansamblu

al arborelui TM (An.a.TM). RA a cablului trece peste rola alergătoare

(Ro.A) a geamblacului de foraj. Geamblacul de foraj (GF) se montează pe

o grindă, numită coroana geamblacului, aflată în vârful mastului (MA). Pe

rolele GF şi ale macaralei (M) se înfăşoară ramurile de cablu, denumite

înfăşurarea cablului (ÎC) dintre macara şi geamblac. Există o ramură fixă a

cablului, care trece peste rola oscilantă (Ro.O) a GF, care se găseşte la

celălalt capăt al axului geamblacului faţă de Ro.A. Acestă ramură o numim

ramura moartă (RM). Ea este fixată, prin înfăşurare, pe o tobă (a ramurii

moarte, TRM) şi prin prindere între două plăci (în care se realizează, prin

frezare, un canal cu forma cablului), asigurate cu şuruburi. Ansamblul

cârligului (C) formează, împreună cu macaraua (M), ansamblul macara-

cârlig (MC). În timpul manevrei, Gar.F sau CB este susţinută de un elevator

(El), ale cărui braţe sunt suspendate în ochiurile inferioare ale chiolbaşilor.

Chiolbaşii (Ch), la rândul lor, se aşează pe umerii cârligului, prin

intermediul ochiurilor superioare. Elevatorul (El) poate fi un elevator de

prăjini de foraj, dacă se manevrează Gar.F, sau un elevator cu pene (El.P),

denumit şi broască cu pene (B.P) sau broască-elevator (B-El), dacă se

97

introduce CB. Astfel, cu ajutorul celor două scule de manevră, chiolbaşii şi

elevatorul, se ridică Gar.F sau se saltă CB din B.P, utilizând puterea

transmisă de la motoare, care este transformată în putere mecanică de

translaţie la cârlig (elevator):

cc vP 'F , (3.2)

unde vc este viteza de deplasare a cârligului, determinată de treapta de viteză

folosită, iar 'F – sarcina utilă de la cârlig.

Ridicarea macaralei-cârlig (MC), încărcate sau nu, trebuie să se facă

astfel încât aceasta să poată fi oprită la timp, prin decuplarea ambreiajului

operaţional (AO) al TM, corespunzător treptei de viteză folosite, fără să

lovească geamblacul. În situaţia în care sondorul-şef nu este atent şi nu

decuplează AO respectiv iar MC intră în spaţiul de siguranţă, reprezentat de

distanţa s, dintre GF şi poziţia superioară pe care o ocupă la ridicarea ei pe

lungimea pasului de PF, atunci limitatorul de cursă a macaralei comandă

decuplarea AO şi, apoi, acţionarea frânei principale, cu ajutorul unui

servomotor pneumatic. Operaţia de introducere a Gar.F sau CB se face

prin greutatea proprie, întrerupându-se fluxul energetic, prin decuplarea

cuplajelor operaţionale ale TM. Coborârea Gar.F, pe lungimea unui pas, sau

coborârea CB, pe lungimea unui burlan, se realizează prin reglarea vitezei

de coborâre cu ajutorul echipamentului de frânare. Echipamentul de frânare

(Eq.Fr) este compus dintr-o frână principală, reprezentată de o frână cu

bandă (FB) sau cu discuri (FD), şi de o frână auxiliară (hidraulică, FH, sau

electromagnetică, FE). Frâna auxiliară se cuplează la arborele TM, cu

ajutorul unui cuplaj de sens unic (CSU) sau cu craboţi, numai în timpul

operaţiei de introducere a materialului tubular în sondă. FB sau FD este

acţionată de către sondorul-şef. Prinderea pasului de PF, preluat de la

„deget”, în El (pentru înşurubarea lui la Gar.F, susţinută în pana de foraj

(PanaF) sau pana pentru prăjini grele (PanaPG), în cazul introducerii

garniturii), ca şi desfacerea lui din El, pentru aducerea la „deget” (după

deşurubarea de la Gar.F, în cazul introducerii acesteia în sondă), se face de

către un sondor care se numeşte podar şi care se găseşte pe o platformă,

denumită podul podarului (Pod.Pod).

În timpul forajului, în gura principală a cârligului (de tipul triplex,

deci, cu trei guri de agăţare), se suspendă capul hidraulic (CH) prin toarta

sa. În fusul CH se înşurubează reducţia de legătură cu prăjina de antrenare

(PA) (reducţia capului hidraulic, RLCH), la care se fixează, tot prin

înşurubare, Gar.F. Prin desfăşurarea cablului de pe TM se lasă pe sapă o

parte (70 % ÷ 85 %) din greutatea, în fluid de foraj, a ansamblului de

adâncime (Ad.Ad), realizându-se, în acest mod, forţa de apăsare pe sapă

(FS).

Procesul de foraj (Pro.F) se desfăşoară cu contribuţia energetică a

A/SR şi a A/SC. Energia mecanică necesară pentru ambele sisteme de lucru

este preluată, coform fig. 3.2, de la cele două GA şi distribuită la fiecare

agregat/ sistem, în funcţie de cerinţa energetică respectivă, prin TI/ I.Centr.

În cadrul A/SR, fluxul energetic se transmite la TF, printr-una din

transmisiile cutiei de viteze, CV AM+AR, în funcţie de treapta de viteză

utilizată, apoi iese din troliu printr-o tm (de obicei, o tl), este preluat de alte

tm – tl, arbore cardanic (a.cd), angrenaje conice, cutia de viteze a A/SR

98

(CV AR), tl sau a.cd de antrenare a mesei rotative (MR) şi de antrenare a

tobei de lăcărit (TL) şi a mosoarelor (Ms) – care formează grupul de

antrenare a MR şi a Ms (GA MR+Ms). Prin cuplarea ambreiajului

operaţional al MR, este pus în mişcare rotorul acesteia şi, prin intermediul

pătraţilor mari (PM) şi al pătraţilor mici (Pm) sau antrenorului cu role

(An.Ro), este transmisă puterea de rotaţie la prăjina de antrenare (PA),

PAPAPA MP ω , (3.3)

cu viteza unghiulară ωPA şi momentul de torsiune MPA, şi, în continuare, la

sapă, cu ajutorul Gar.F, obţinându-se puterea mecanică necesară pentru

foraj (puterea la sapă, PS):

SSS MP ω . (3.4)

MR este montată pe nişte grinzi ale platformei de lucru a IF

(Pl.L.IF), care este susţinută de substructura (S-Str) IF. S-Str este o

construcţie spaţială de grinzi cu zăbrele, cu elemente profilate sau ţevi, care

preia sarcina datorată greutăţii Gar.F sau CB, susţinute în pana de foraj

(PanaF), respectiv în B.P.

În timpul forajului cu MR, sarcina datorată Gar.F este preluată de

cârlig prin intermediul PA şi al CH. CH permite mişcarea de rotaţie a PA, în

situaţia în care ansamblul MC nu trebuie să se rotească, şi circulaţia

fluidului de foraj de la furtunul de noroi (FN) la PA (în cazul circulaţiei

directe) sau invers, de la PA la FN (în cazul circulaţiei inverse).

Pentru realizarea circulaţiei fluidului de foraj, cu scopul evacuării

detritusului de la talpa puţului, sunt acţionate pompele de noroi (PN), în

cadrul A/SC, tot de la TI/ I.Centr, utilizând transmisii mecanice (tm), de

tipul tl sau a.cd, puse în mişcare prin cuplarea ambreiajului operaţional al

PN. Astfel, puterea mecanică de antrenare a PN este transformată în putere

hidraulică a fluidului de foraj:

QpPh , (3.5)

în care p este presiunea de refulare a PN şi Q – debitul de fluid de foraj

realizat de PN. PN aspiră fluidul de foraj din haba de aspiraţie (HA), prin

conducta de aspiraţie (CA), şi-l refulează în colectorul de refulare. Deci,

A/SR conţine GA, TI, tm de legătură cu arborele de intrare/ antrenare al PN

şi PN.

În continuare, energia hidraulică este consumată pe traseul hidraulic

al PN, format din: furtunul de refulare (FR), claviatura (Cl) pompelor,

conducta de refulare (CR), încărcător (Înc), furtunul de noroi (FN), capul

hidraulic (CH), PA, interiorul Gar.F, al sapei (inclusiv duzele sapei, unde se

produce o transformare a energiei hidraulice de presiune în energie

hidrodinamică a jeturilor de fluid de foraj), zona sapă-talpa puţului (Z.S-

TP), spaţiul inelar dintre peretele sondei şi Gar.F şi burlanul-conductor de la

gura sondei, de sub MR, unde presiunea fluidului de foraj ajunge la

presiunea atmosferică. Apoi, prin jgheabul (J), înclinat, fluidul de foraj,

încărcat cu detritus, iese din sondă şi este condus la instalaţia de curăţire,

tratare şi preparare a fluidului de foraj (ICTPFF), denumită, mai simplu,

instalaţia de curăţire şi preparare a noroiului (ICPN). Această instalaţie

cuprinde partea de curăţire, cea de preparare-tratare şi haba sau habele de

aspiraţie a PN. Partea de curăţire conţine site vibratoare (SV), haba de

99

decantare (H.Dec), separatoare centrifugale (Sep.C), hidrocicloane (Hc),

agitatoare (Ag), degazoare (Degaz), denisipatoare (Denisip), demâluitoare

(Demâl) şi haba de curăţire (HC). Partea de preparare-tratare conţine Ag,

puşti (P), haba de preparare-tratare (H.Pr-T) etc.

O instalaţie de foraj dispune şi de următoarele sisteme/ agregate de

lucru secundare (S/ALS):

sistemul mosoarelor (SMs), cu ajutorul căruia se efectuează

înşurubarea-strângerea şi slăbirea-deşurubarea îmbinărilor

filetate cu umăr (ÎFU) ale materialului tubular;

agregatul de salvare a garniturii de foraj (ASGar.F) care

îndeplineşte funcţiunea de ridicare a sapei de pe talpa puţului,

atunci când, în timpul forajului, motorul electric de curent

continuu îşi încetează funcţionarea, din cauza întreruperii

alimentării cu energie electrică (la instalaţiile de foraj cu

acţionare EC sau EA);

sistemul tobei de lăcărit (STL), cu ajutorul căruia se realizează

operaţia de lăcărit pentru punerea în producţie a zăcământului de

petrol sau gaze;

sistemul de avans automat al sapei (SAAS), care poate fi integrat

în agregatul de salvare a Gar.F, alcătuind astfel sistemul de

salvare şi de avans automat al sapei (SSAAS);

sistemul de manipulare a materialul tubular („pipehandling

system”, în lb. en.), care este un sistem automat folosit la IF

automatizate sau semiautomatizate.

Agregatele/ Sistemele de lucru ale IF conţin utilaje (U), reprezentate

de maşini (M), transmisii (T/t), dispozitive (D) şi scule (Sc). Acestea pot fi

incluse în echipamente (Eq).

Se pot pune în evidenţă următoarele echipamente (Eq):

echipamentul de redresare, comandă şi reglare (Eq.RCd.R) a

funcţionării motoarelor de curent continuu – în cazul instalaţiilor

de foraj cu acţionare EC şi DEC;

echipamentul de manevră (Eq.M);

echipamentul de frânare (Eq.Fr), care este inclus în troliul de

foraj (TF);

echipamentul de rotaţie (Eq.R);

echipamentul de circulaţie (Eq.C);

echipamentul sau instalaţia de curăţire, preparare-tratare şi

depozitare a fluidului de foraj sau „sistemul de noroi” („mud

system”, în lb. en.);

echipamentul sau instalaţia de producere şi stocare a aerului

comprimat (grupul de preparare a aerului comprimat);

echipamentul de comenzi şi de acţionări pneumatice

(Eq.Cd.Ac.Pn), utilizat pentru operaţiile de cuplare-decuplare a

cuplajelor şi ambreiajelor, pentru comanda limitatorului de cursă

a macaralei-cârlig şi acţionarea frânei principale (FP) [frânei cu

bandă (FB) sau frânei cu discuri (FD)] şi pentru sculele de

mecanizare;

100

echipamentul de acţionare şi de comenzi hidraulice

(Eq.Ac.Cd.H), folosit pentru FP, sculele de mecanizare, pentru

închiderea prevenitoarelor de erupţie şi pentru ridicarea mastului,

la instalaţiile de foraj transportabile în stare semimontată;

echipamentul sau instalaţia de prevenire a erupţiilor.

Componenţa echipamentului de manevră (Eq.M) este următoarea:

troliul de foraj (TF), cablul de manevră (CM) – cu ramura sa activă (RA),

înfăşurarea cablului dintre geamblac şi macara (ÎC) şi ramura moartă (RM)

–, geamblacul de foraj (GF), ansamblul macara-cârlig (MC), chiolbaşii (Ch),

elevatorul (El), broasca-elevator (B-El)/ elevatorul cu pene (El.P), prăjina de

antrenare (PA), pana de foraj/ pentru prăjini de foraj (PanaF), pana pentru

prăjini grele (PanaPG), capul hidraulic (CH), cleştele multidimensional

(Cl.Md), mastul în formă de A (MA) sau de U (MU), turla (T),

Eq.M = {TF, CM (RA, ÎC, RM), GF, MC, Ch, El, PA, PanaF, PanaPG, B-

El/El.P, CH, MA/Tl, Cl.Md}.

Fig. 3.7. Instalaţie de foraj în funcţiune (cu acţionare DEC, cu arhitectură pe două niveluri,

cu mast în formă de U), împreună cu anexele sale

Troliul de foraj (TF) conţine: cutia de viteze care poate fi comună

pentru A/SM şi A/SR (CV AM+AR), transmisia cu lanţ de încet (tlî),

transmisia cu lanţ de repede (tlr), ansamblul arborelui TM (An.a.TM),

echipamentul de frânare (Eq.Fr),

TF = {CV AM+AR, tlî, tlr, An.a.TM, Eq.Fr}.

CV este formată din transmisii mecanice (tm) şi cuplaje (C):

CV = {tm, C}.

Ansamblul arborelui TM are în compunerea sa arborele tobei de

manevră (a.TM), toba de manevră (TM), tamburii frânei cu bandă (T.FB) şi

101

ambreiajele operaţionale ale TM (AO.TM) – ambreiajul operaţional de încet

(AO.Î) şi ambreiajul operaţional de repede (AO.R),

An.a.TM = {a.TM, TM, T.FB, AO.TM}.

Fig. 3.8. Instalaţie de foraj (Dreco

Inc.) de foarte mare adâncime

(25000ft = 7620m), în timpul

forajului, cu acţionare DEC, cu

arhitectură pe două niveluri, cu

ansamblu macara-cârlig cu legătură

prin toartă, cu sarcina maximă la

cârlig de 1250 tf, cu nivelul

platformei de lucru la 40 ft

2323mm, cu mast în formă de U, cu

capacitatea nominală de 3125000

lbf 1417,5 tf

Echipamentul de

rotaţie (Eq.R) conţine: masa

rotativă (MR), pătraţii mari

(PM), pătraţii mici (Pm),

antrenorul cu role (An.Ro),

prăjina de antrenare (PA),

capul hidraulic (CH) sau

capul hidraulic-motor (CH-

M), garnitura de foraj (Gar.F),

motorul de adâncime (MAd)

şi sapa (S),

Eq.R = {MR, PM, Pm/An.Ro,

PA, CH/CH-M, Gar.F, A.Ad,

S}.

Echipamentul de

circulaţie (Eq.C) se compune

din: pompa de noroi (PN),

haba de aspiraţie (HA),

pompa centrifugă de supra-

alimentare (PC.Supraal) – la

pompa de noroi triplex –,

furtunul de refulare (FR),

claviatura pompelor de noroi

(Cl.PN), conducta de refulare

(CR), încărcă-torul (Înc),

furtunul de noroi (FN)/ foraj

(FF), capul hidraulic (CH) sau

capul hidraulic-motor (CH-

M)/ „top-drive”-ul, prăjina de

antrenare (PA), garnitura de

foraj (Gar.F), motorul

hidraulic de adâncime (M.H.Ad) şi sapa (S),

Eq.C = {PN, HA, PC.Supraal, FR, Cl, CR, Înc, FN, CH/CH-M, PA, Gar.F,

M.H.Ad, S}.

102

Securitatea instalaţiei de foraj şi a personalului se realizează cu

ajutorul utilajelor şi dispozitivelor de prevenire a erupţiilor (prevenitoarelor

de erupţie (Prev.E) – orizontal şi vertical – şi canalei de siguranţă) şi, de

asemenea, cu ajutorul dispozitivelor de salvare (coliviei podarului şi

topoganului). Prev.E sunt montate în beciul IF (B.IF).

Structurile metalice ale instalaţiei de foraj sunt structuri de rezistenţă

şi de protecţie, fiind reprezentate de: turlă (T) sau mast (MA sau MU),

substructură (S-str), pod al podarului (Pod.Pod), platformă de lucru a

instalaţiei de foraj (Pl.L.IF), alte platforme (ale grupurilor de acţionare şi

intermediarei centrale), scări, podeţe, balustrade etc.

Anexele instalaţiei de foraj sunt: rampa de material tubular, jilipul

(planul înclinat pe care se trage materialul tubular de pe rampă pe platforma

de lucru a instalaţiei), rampa de scule, haba de detritus, batalele de noroi,

silozurile de chimicale, tancurile de combustibil şi de apă, grupul

electrogen, barăcile de materiale şi atelier mecanic, de chimicale, cabina

geoservice, PSI, birouri, baracamentul etc.

Figurile 3.7 şi 3.8 sunt fotografii ale unor instalaţii de foraj, care

evidenţiază unele dintre aspectele prezentate mai sus. De asemenea, aceste

aspecte sunt evidenţiate şi în filmul video: “Oil Rig Tour”

(http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Kf6nntEKC

6U).


componenţa lui

Sistemul/ Agregatul de lucru este un ansamblu de utilaje care

lucrează ca un tot unitar, fiind în interdependenţă constructivă şi

funcţională, pentru efectuarea unei operaţii sau proces tehnologic (de

exemplu, de săpare, de circulaţie sau de manevră).

Prin utilaj (U) se înţelege un ansamblu de elemente interdependente

constructiv şi funcţional, care îndeplineşte un rol funcţional de sine stătător

sau în cadrul unui echipament (Eq), sistem/ agregat de lucru (S/AL) sau

instalaţie (I). Astfel, utilajul poate fi un dispozitiv (D) (de exemplu, un

cuplaj (C) sau ambreiaj (A)) un ansamblu de dispozitive (ΣD), o transmisie

mecanică (tm) sau un ansamblu de tm (Σtm) (de exemplu, transmisia

intermediară (TI) sau intermediara centrală (I.Centr) a IF), o cutie de viteze

(CV), o maşină (M) etc.:

U {D, ΣD, tm, Σtm, CV, M, ...}.

Maşina (M) este un transformator energetic care transformă o

energie oarecare în energie mecanică sau invers.

Există două tipuri de maşini (M):

– maşină motoare (MM) sau motor (M);

– maşină antoare (M.An) sau antor17

(An),

M{MM, M.An}.

17

Termenul „antor” este un cuvânt artificial, creat de acad. Constantin Aramă în încercarea

sa de a realiza o teorie unitară a maşinilor (TUM). Astfel, termenul „antor” înseamnă

„maşină antrenată de motor”, fiind format din prefixul „an”, de la „antrenată” şi sufixul

„tor”, de la „motor”.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Kf6nntEKC6U

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Kf6nntEKC6U

103

Maşina motoare (MM) sau motorul (M) transformă o energie

oarecare (E) a unei surse energetice iniţiale (SI) în energie mecanică sub

formă cinetică (Em.c):

E (SI) Em.c.

Maşina antoare (M.An) sau antorul (An) poate fi de tipul:

– generator (G) (de exemplu, PN care este un generator hidraulic),

care transformă energia mecanică, cinetică (Em.c) în energie

hidraulică (Eh) (dacă generatorul este hidraulic), pneumatică (Ep)

(dacă generatorul este pneumatic) sau electrică (Ee) (dacă

generatorul este electric),

Em.c Eh/Ep/Ee;

– maşină de lucru (ML), care dispune de energie mecanică,

cinetică, cu ajutorul căreia efectuează un lucru mecanic util (Lu)

Em.c Lu.

Antoarele sistemelor/ agregatelor de lucru principale (S/ALP) se

numesc antoare principale (An.P).

Organul de lucru (OL) este ultima piesă în mişcare de rotaţie sau de

translaţie a unui S/AL (deci, şi al unui An).

Arborele caracteristic (a.c) este ultimul arbore al An, respectiv al

S/AL.

În tabelul 3.5 sunt precizate antoarele (An), organele de lucru (OL)

şi arborii caracteristici (a.c) pentru cele trei S/ALP ale IF.

Tabelul 3.5. Antoarele (An), organele de lucru (OL) şi

arborii caracteristici (a.c) ai celor trei S/ALP ale IF

S/ALP An (G; ML) OL a.c

S/AR

ML: MR–PA–Gar.F–S/

CH-M–Gar.F–S/

M.Ad–S

Ro.S/S

PA–Gar.F

Arbore M.Ad

S/AC G: PN p a.c.PN

S/AM ML: TM–M-G El a.TM

Notaţii: Ro.S – rolele sapei; p – piston/ pistoane care

lucrează în acelaşi timp; a.c.PN – arborele cotit al PN.

S/AL au în componenţa lor şi variatoare de viteză (VV), care pot fi

de tipurile:

– variator în trepte (VT), care este o cutie de viteze (CV);

– variator continuu (VC), care realizează o variaţie continuă a

raportului de transmitere dintre arborele de intrare (numit arbore

primar şi notat cu I) şi arborele de ieşire (numit arbore secundar

şi notat cu II).

Variatorul continuu (VC) poate fi o transmisie hidraulică (TH) sau

electrică (TE):

VC {TH, TE}.

Transmisiile hidraulice (TH) ale IF sunt de tipul:

– transmisii hidrodinamice (THd), reprezentate de convertizoarele

hidraulice de cuplu (CHC);

– transmisii hidrostatice (THs), care sunt, de obicei, cu unităţi cu

pistoane axiale sau radiale.

104

Transmisiile electrice (TE) utilizate în cadrul IF sunt de tipul:

– generator de curent alternativ (G.c.a) – staţie de comandă şi

redresare cu tiristoare (SCRT) – motor de curent continuu

(M.c.c);

– generator de curent continuu (G.c.c) – staţie de comandă şi

reglare (SCR) – motor de curent continuu (M.c.c).

TE de tipul G.c.c–SCR–M.c.c se numeşte grup Ward-Leonard

(WL).

Raportul de transmitere al unei CV (iCV) poate fi modificat în trepte,

ceea ce se scrie:

NkkCV ii

1 , , (3.6)

unde ik este raportul de transmitere de ordinul k al CV, iar N este numărul de

trepte de viteze ale CV.

Raportul de transmitere al VC (iVC) se modifică automat, în funcţie

de momentul de torsiune aplicat arborelui secundar al VC (MII), adică

IIVC Mfi , (3.7)

în care iVC se defineşte cu relaţia:

I

IIVCi

ω

ω , (3.8)

unde ωI, ωII reprezintă viteza unghiulară a arborelui primar (I), respectiv a

arborelui secundar (II) al VC.

Un S/AL poate conţine:

1) un VC (TH sau TE),

S/AL VC;

2) un VC şi o CV (de exemplu, TH+CV sau TE+CV),

S/AL {VC, CV};

3) un VC şi două CV (de exemplu, CHC+CV1+CV2):

S/AL {VC, CV1, CV2};

În fig. 3.9 se prezintă schema bloc-funcţională a unui S/AL şi fluxul

energetic transmis în cadrul acestuia. Conform acestei figuri, un S/AL se

compune din: ansamblul grupurilor de acţionare (GA), în general, N GA

(GA.1, GA.2, ..., GA.N), lanţul cinematic de însumare a puterii acestor

grupuri (LCÎPGA), lanţul cinematic (LC) al S/AL şi un mecanism (Mm),

care aparţine antorului. Fiecare GA este alcătuit dintr-un motor diesel (D) şi

un variator continuu (VC) (TH sau TE), ambele maşini fiind cuplate prin

intermediul unui element de legătură/cuplare (ec), reprezentat de un arbore

cardanic (a.cd) sau un cuplaj permanent cu elemente elastice. LCÎPGA este

format din transmisii mecanice de însumare a puterii GA (tmΣP). Ultimul

arbore al acestui lanţ cinematic reprezintă arborele 1 al LC al A/SL, astfel că

puterea însumată este puterea la acest arbore (P1). LC al A/SL cuprinde

transmisii mecanice (tm), unele dintre ele formând cutii de viteze (CV), şi,

eventual, transmisiile mecanice ale antorului (An).

De asemenea, putem considera că A/SL este format din: ansamblul

GA, LCÎPGA, LC al S/AL şi An. Transmisiile mecanice (tm) pot fi de tipul

transmisiilor cu lanţ (tl), angrenajelor cilindrice (an.cl), angrenajelor conice

(an.con) şi arborilor cardanici (a.cd):

tm {tl, an.cl, an.con, a.cd}.

105

Fig. 3.9. Schema bloc-funcţională a unui SL cu N motoare D (D.1, …, D.N) şi N variatoare

continue (VC) (VC.1,…,VC.N) şi fluxul energetic transmis în cadrul acestuia: PP – puterea primară (puterea sursei iniţiale de energie); PI – puterea la arborele primar (I) al VC; PII

– puterea la arborele secundar al VC; P1 – puterea la arborele 1 al LC al SL; PT – puterea la ieşirea

din transmisii (T); Pac – puterea la arborele caracteristic (ac) al SL; Pd – puterea disipată către mediul

exterior; ec – elementul de cuplare dintre arborele motorului D şi arborele I al VC; tm – transmisie

mecanică (transmisii mecanice); tmΣP – transmisii mecanice de însumare a puterilor GA; Mm –

mecanismul antorului (An); Ct – fluxul informaţional de control; Cd – fluxul informaţional de

comandă

Arborii cardanici (a.cd) au un rol important în cadrul IF, deoarece se

utilizează pentru transmiterea mişcării între doi arbori aflaţi la distanţă mare

(de exemplu, un arbore al I.Centr şi arborele de antrenare al PN) sau care se

găsesc la niveluri diferite (cum este cazul transmiterii mişcării între TF şi

GAMR, aflat imediat sub platforma de lucru a IF, în situaţia IF cu

arhitectură pe trei niveluri). De aceea, aceşti arbori cardanici (sincroni) au

fost incluşi în categoria transmisiilor mecanice.

O altă modalitate de alcătuire a S/AL este următoarea: ansamblul

motoarelor diesel (ΣD), totalitatea transmisiilor (T) şi antorul (An).

Transmisiile A/SL, notate cu T, includ: ansamblul transmisiilor hidraulice

sau electrice (ΣTH/TE), deci, ansamblul variatoarelor continue (ΣVC),

LCÎPGA şi transmisiile mecanice (tm) ale LC al S/AL, inclusiv cele care

formează cutii de viteze (CV).

3.4. Cerinţele structural-funcţionale ale unui sistem de lucru

În cadrul fiecărui element al S/AL, transmiterea energiei se face cu

pierderi, astfel că elementul respectiv se caracterizează printr-un randament

(η), determinat de expresia:

c

u

OI

OE

P

P

P

Pη , (3.9)

în care POE este puterea la organul de ieşire (OE), care este puterea utilă

(Pu),

uOE PP ; (3.10)

106

POI – puterea la organul de intrare (OI) al elementului considerat, care este

puterea consumată (Pc),

cOI PP . (3.11)

Puterea la OL al A/SL (POL) este puterea utilă a S/AL (Pu.SL),

SLuOL PP.

. (3.12)

Aceasta este furnizată consumatorului (Cs). În tabelul 2.6 se prezintă

consumatorii celor trei S/ALP.

Tabelul 3.6. Consumatorii (Cs) celor trei agregate/ sisteme de lucru

principale (A/SLP) ale instalaţiei de foraj

A/SLP A/SR A/SC A/SM

Cs

Roca+

fluidul de foraj+

peretele sondei

Traseul hidraulic

al fluidului de foraj

(de la ieşirea din PN

până la ieşirea

din sondă)

Gar.F sau CB

(aflată în câmpul

gravitaţional,

în sonda cu fluid

de foraj, şi în mişcare)

Puterea consumată de către SL (Pc.SL) reprezintă puterea primară

(PP) a celor N motoare D,

PSLc PNP .

. (3.13)

Ca urmare, randamentul A/SL este dat de relaţia:

P

OL

SLPN

P

η . (3.14)

Ţinând cont de randamentul fiecărui element al SL, se poate scrie

următoarea relaţie între puterea arborelui secundar al VC de ordinul j şi

puterea primară a motorului diesel (D) de acelaşi ordin:

jVCjecjDjPjII PP.....

ηηη . (3.15)

Se poate demonstra că puterea însumată la arborele 1 al LC al SL

depinde de puterea furnizată de cele N motoare D aflate în funcţiune, prin

relaţia de forma (cf. [3.4], [3.5]):

11 ηηηλλ

.. r

N

PVCec

N

NS

N

MeD cPP , (3.16)

în care PD este puterea motorului D reglat la puterea de referinţă; N

Me .λ –

coeficientul de exploatare maxim pentru cele N motoare D aflate în

funcţiune; N

NSλ – coeficientul de nesincronizare a funcţionării celor N

motoare; ηec – randamentul elementului de cuplare dintre motorul D şi VC;

ηVC – randamentul acelui VC care este cuplat cu motorul D reglat la puterea

de referinţă; N

Pc – coeficientul de însumare a puterii celor N GA; ηr.1 –

randamentul rulmenţilor pe care se montează arborele 1 al LC al A/SL.

Puterea de referinţă a motorului D (Pref) poate fi puterea nominală

(Pn) sau puterea maximă (PM). Motoarele D sunt reglate la Pn în cazul în

care modul de acţionare este centralizat (MAC) şi mixt, varianta 2 (MAM2),

pentru acţionarea în comun a SM şi a SC. Reglarea la această putere este

impusă de regimul continuu de funcţionare, în timpul forajului, a MR şi a

PN.

107

Coeficienţii N

Me .λ şi N

NSλ iau în consideraţie pierderile de putere care

se produc în situaţia în care motoarele D nu sunt reglate la puterea de

referinţă şi, respectiv, nu funcţionează sincron, adică au pante de regulator

diferite. Ca urmare, există inegalităţile:

1λ N

Me . şi

1λ N

NS , (3.17)

aceşti coeficienţi fiind unitari numai în situaţia reglării tuturor motoarelor D

la Pref şi, de asemenea, în cazul în care aceste motoare funcţionează pe curbe

de regulator de aceeaşi pantă. În lucrările [3.4] şi [3.5] sunt determinate

expresiile acestor coeficienţi.

Coeficientul N

Pc are o expresie care este dependentă de modul de

cuplare a motoarelor/ GA, respectiv de configuraţia LCÎPGA, de numărul N

de motoare aflate în funcţiune şi de poziţia motoarelor în cadrul acestui lanţ

cinematic. Dacă se realizează o cuplare în serie a motoarelor/ GA prin

intermediul TI (cu tl intermediare) a IF, atunci expresia lui N

Pc poate fi

scrisă sub următoarea formă (vezi [3.4] şi [3.5]):

ktl

N

i

i

kkr

N

Pc

..

ηη12

1

1

, (3.18)

unde ηr.(-k) este randamentul rulmenţilor pe care se montează arborele (-k) al

LCÎPGA, iar ηtl.(-k) – randamentul tl de ordinul (–k) a LCÎPGA.

Deoarece, conform relaţiei (2.18), se constată că

Nc N

P , (3.19)

atunci se defineşte coeficientul de transmitere a puterii medii a fiecărui

motor la arborele de însumare (arborele 1) prin expresia

N

cc

N

PN

tP . (3.20)

Ca urmare, formula puterii P1 se poate scrie şi în funcţie de numărul de

motoare D care se găsesc în funcţiune:

11 ηηηλλ

... r

N

PtVCec

N

NS

N

MeD cPNP . (3.21)

Apoi, în funcţie de P1 se poate exprima puterea de la organul de

lucru (OL):

AnCVtmOL PP ηη1 ;

. (3.22)

Folosind (3.21), se obţine

AnCVtmr

N

PtVCec

N

NS

N

MeDOL cPNP ηηηηηλλ 1 ;...

, (3.23)

în care s-a ţinut cont de expresia

DPD PP η . (3.24)

Deci:

AnCVtmr

N

PtVCec

N

NS

N

MeDPOL cPNP ηηηηηλλη 1 ;...

, (3.25)

unde PP este puterea primară (puterea termică a combustibilului) motorului

D reglat la puterea de referinţă; ηD – randamentul acestui motor.

Relaţia (3.25) reprezintă expresia generală a puterii la OL al unui

A/SL, adică a puterii utile a A/SL.

108

Puterea disipată către mediul ambiant de la fiecare element al S/AL

reprezintă diferenţa dintre puterea de intrare în elementul respectiv şi

puterea de ieşire din acest element. Astfel, se obţin relaţiile:

jDjP

jD

d PPP..

. ;

jIjD

jec

d PPP..

. ;

jIIjI

jVC

d PPP..

. (3.26)

şi

T

CVtm

d PPP 1

; ; OLT

An

d PPP . (3.27)

Tabelul 3.7. Valorile randamentului transmisiilor mecanice şi al diferitelor organe în

mişcare

Nr.

crt.

Tipul transmisiei, lagărului sau

organului de transmitere a mişcării

Randamentul Observaţii

Notaţia Valoarea

1 Rulment cu bile (r.b) ηr.b 0,995 [2.11]

2 Rulment cu role (r.ro) ηr.ro 0,99 [2.11]

3 Lagăr cu alunecare (la) ηla 0,96 [2.11]

4 Arbore pe rulmenţi (r) ηr 0,98÷0,99

(0,985) [2.9], [2.10]

5 Arbore cardanic (a.cd) ηa.cd 0,99 [2.9], [2.10]

6 Angrenaj cilindric (an.cl) ηan.cl

0,95÷0,99

0,98÷0,99

(0,98)

[2.11]

([2.9], [2.10])

Pierderile prin frecarea

între dinţi [2.11]

7 Angrenaj conic (an.con) ηan.con 0,94÷0,98

(0,96)

[2.11]

([2.9], [2.10])

8

Transmisie prin lanţ (tl)

(cu elemente precis executate şi

bine unse)

ηtl 0,96÷0,98

(0,98)

Pierderi prin frecare în

articulaţiile lanţului

(cele mai însemnate) şi

între elementele lanţului

şi roţi [2.11], ([2.9],

[2.10])

9 Transmisie cu lanţ şi rulmenţi ηtl+r 0,92÷0,96

10 Transmisie prin curea lată (t.c.l) ηt.c.l 0,95÷0,96 [2.11]

11 Transmisie prin curele trapezoidale

(t.c.t) ηt.c.t 0,94 [2.9], [2.10]

12 Rolă (pe rulmenţi) pe care se-

nfăşoară cablul (la MC şi GF) (Ro) ηRo 0,96÷0,98

Se acceptă ηRo = 0,96,

conform API RP 9B

[2.16]

13 Labirinţi (la MR) (lab) ηlab 0,99

14 Cuplul prăjină de antrenare (PA)-

antrenori cu role (An.Ro) ηPA-An.Ro 0,90÷0,95

Exprimând relaţia dintre puterea de ieşire din fiecare element şi

puterea de intrare în elementul respectiv, expresiile puterilor disipate devin:

jPjD

jD

d PP..

. η1 ; jDjec

jec

d PP..

. η1 ; jIjVC

jVC

d PP..

. η1 (3.28)

şi

1η1 PP CVtm

CVtm

d ;

; ; TAn

An

d PP η1 . (3.29)

Atunci, randamentele elementelor componente ale A/SL se obţin din

(3.28) şi (3.29) sub forma:

jP

jD

d

jDP

P

.

.

.1η ;

jD

jec

d

jecP

P

.

.

.1η ;

jI

jVC

d

jVCP

P

.

.

.1η ; (3.30)

109

1

1ηP

P CVtm

d

CVtm

;

; ;

T

An

d

AnP

P1η . (3.31)

În tabelele 3.7 ÷ 3.9 sunt prezentate valorile randamentelor

diferitelor transmisii mecanice, organe de maşini, motoare, transmisii

hidraulice şi electrice, maşini antoare şi, respectiv, ale celor trei A/SLP ale

IF, pentru diverse tipuri de acţionări.

Tabelul 3.8. Valorile randamentului unor maşini şi transmisii hidraulice şi electrice

Nr.

crt. Maşina sau transmisia

Randamentul Observaţii

Notaţia Valoarea

1 Motor diesel (D) ηD 0,34÷0,40

2 Turboambreiaj (TA) ηTA 0,96÷0,98 [2.9], [2.10]

3 Convertizor hidraulic de cuplu

(CHC) ηCHC 0,79÷0,83

4 Generator de curent continuu (c.c.)

( G ) G

0,96

5 Generator de curent alternativ (c.a.)

( G~

) G~ 0,92÷0,93

6 Modul SCR şi cabluri de legătură

(c) cu motorul de c.c. (SCR-c) ηSCR-c 0,96÷0,97

7 Motor de c.c. ( M ) M 0,91÷0,92

8 Motor de c.a. ( M~

) M~ 0,85

9 Generator de c.c.-motor de c.c.

[unitate Ward-Leonard (WL)] ηWL 0,87÷0,88

10 Generator de c.a. – motor de c.a.

( G~

- M~

) MG~~

0,85

11 Generator de c.a.-motor de c.a.-

CHC ( G~

- M~

-CHC) CHCMG

~~

0,68

12 Motor de c.a.-CHC ( M~

-CHC) CHCM ~ 0,67÷0,70

13 Modul SCR-motor de c.c.

(SCR- M ) MSCR 0,87÷0,89

14 Generator de c.a.- modul SCR-

motor de c.c. ( G~

-SCR- M ) MSCRG

~ 0,80÷0,83

15 Masă rotativă (MR) ηMR 0,84÷0,95

16 Pompă de

noroi (PN)

Pierderi mecanice ηm.PN 0,77÷0,83 ηPN = 0,59÷0,81

(ηPN = 0,60÷0,85)

(ηPN = 0,75÷0,83);

(ηPN = 0,90)

Pierderi volumice ηv.PN 0,80÷0,98

Pierderi hidraulice ηh.PN 0,96÷0,99

Relaţiile (3.30) şi (3.31) arată că randamentul fiecărui element al

A/SL este cu atât mai mare, cu cât puterea disipată către mediul ambiant

este mai mică.

Substituind expresia puterii de la OL al A/SL, dată de (3.25), în

relaţia randamentului (3.14), rezultă următoarea formulă generală pentru

randamentul A/SL:

AnCVtmr

N

PtVCec

N

NS

N

MeDSL c ηηηηηλληη 1 ;...

. (3.32)

În timpul funcţionării, A/SL trebuie să îndeplinească următoarele

cerinţe:

i. stabilitate;

110

ii. economicitate.

Conform cerinţei de stabilitate, funcţionarea A/SL trebuie să fie

stabilă, adică punctul de funcţionare trebuie să fie stabil, ceea ce impune o

stabilitate a funcţionării elementelor componente ale A/SL; deci, punctul de

funcţionare (P) corespunzător ansamblului de două elemente componente

succesive să se găsească în zona stabilă (ZS) a curbei caracteristice

funcţionale:

P ZS. (3.33)

Tabelul 3.9. Valorile randamentului agregatelor/ sistemelor de lucru principale (A/SLP) ale

IF, pentru diferite tipuri de acţionări

Nr.

crt.

Tipul

acţionării

Sistemul de manevră (SM) Sistemul de rotaţie (SR) Sistemul de circulaţie (SC)

ηVV ηTI-TM ηM-G ηSM ηVV ηTI-PA ηSR ηVV ηTI-a.PN ηPN ηSC

1 DH 0,79 0,87 0,82 0,56

0,79 0,68 0,54 0,79 0,92 0,85

(0,9)

0,62

(0,65) 0,80 0,55

2 DEWL 0,87 0,94

0,82 0,67 0,87 0,80 0,70 0,87 0,97

0,85

(0,9)

0,72

(0,76) 0,80 0,65

3 DEC 0,80 0,94 0,82 0,62

0,80 0,80 0,64 0,80 0,97 0,85

(0,9)

0,66

(0,70) 0,80 0,60

4 EC 0,88 0,94 0,82 0,68

0,88 0,80 0,70 0,88 0,97 0,85

(0,9)

0,73

(0,77) 0,80 0,66

Notă. Valorile prezentate în tabelul de mai sus sunt informative. Ele pot fi folosite în prima

fază de proiectare a IF, la calculul puterii instalate. După definitivarea schemei cinematice a

IF respective, se determină valorile reale ale randamentului fiecărui A/SL.

Cerinţa de economicitate/ eficienţă a funcţionării A/SL impune ca

puterea disipată către mediul ambiant să fie minimă:

SL

md

SL

d PP.

(3.34)

sau randamentul A/SL să fie maxim:

MSLSL .ηη . (3.35)

Rezultă că este necesar ca fiecare element component al A/SL să

funcţioneze cu un randament maxim:

Mjj .ηη (3.36)

sau cu un randament apropiat de acesta (în situaţia în care, datorită variaţiei

încărcării maşinii – motorului, variatorului continuu, antorului –, există o

variaţie a randamentului ei), adică punctul de funcţionare să se afle

întotdeauna în zona economică (ZE) a curbei caracteristice funcţionale:

P ZE ZS. (3.37)

Ca urmare, puterea utilă a A/SL trebuie să fie maximă:

MOLOLSLu PPP..

. (3.38)

Conform relaţiilor (3.25) şi (3.32), se impune:

– o funcţionare normală a motoarelor diesel (D), cuplate în serie, în

condiţii de reglare la puterea de referinţă şi de sincronism, adică

1λ N

Me .,

1λ N

NS ; (3.39)

– o valoare cât mai mare a coeficientului de transmitere a puterii

medii a fiecărui motor la arborele de însumare (arborele 1), N

Ptc.

, ceea ce

presupune alegerea unei configuraţii a LCÎPGA care să determine pierderi

minime de putere, deci, cu cât mai puţine transmisii mecanice, care să

funcţioneze la randamente maxime.

111

Satisfacerea celor două cerinţe presupune o interconectare eficientă

sau o adaptare corespunzătoare a maşinilor (motoarelor, variatoarelor

continue de viteză şi antorului) şi a cutiilor de viteză în cadrul sistemului de

lucru. Adaptarea corespunzătoare se poate obţine:

iii. constructiv, printr-o alegere adecvată a elementelor componente

ale SL sau o proiectare a acestora care să aibă în vedere cele

două cerinţe;

iv. funcţional, dacă condiţia constructivă este îndeplinită, prin

comanda adecvată a maşinilor şi a cutiilor de viteze, cu ajutorul

echipamentelor de comandă şi de reglare.

Obţinerea unei puteri utile maxime a A/SL înseamnă, de fapt,

utilizarea eficientă a puterii instalate a A/SL, adică a motoarelor instalate

[3.6], deci, funcţionarea motoarelor disponibile cu un consum specific de

energie redus, în condiţii de stabilitate şi siguranţă, cu un randament ridicat

al GA, pe întregul domeniu de încărcare impus de parametrii de efort care

trebuie realizaţi. Acest lucru presupune următoarele (cf. [3.6]):

o alegerea adecvată a motorului pentru încărcarea la care este

supus (inclusiv pentru sarcina moartă);

o adaptarea bună a variatorului continuu (VC), de tipul TE (G.c.a/

G.c.c – M.c.c) sau de tipul THd (CHC), la motorul diesel (D);

o adaptarea cât mai bună a domeniului de măsuri ale sarcinii de la

cârlig, momentului de rotaţie de la prăjina de antrenare şi ale

presiunii de refulare a PN la caracteristica ansamblului de GA,

prin proiectarea corespunzătoare a lanţului cinematic (LC) al

A/SL [3.7] şi prin folosirea adecvată a treptelor de viteză şi a

numărului optim de motoare pentru fiecare treaptă ([3.4], [3.7],

[3.8]);

o alegerea unui lanţ cinematic de însumare a puterii grupurilor de

acţionare (LCÎPGA) care să ducă la pierderi minime de putere;

o folosirea acelor motoare, dintr-un număr N existent al A/SL, care

să determine o putere maximă la arborele de însumare, în cazul

în care necesarul de putere este mai mic decât cel furnizat de cele

N motoare.

3.5. Mărimile fizice proprii, parametrii şi caracteristicile

instalaţiei de foraj şi ale utilajelor componente

Parametrii instalaţiei de foraj (IF) şi ai utilajelor (U) componente

sunt măsurile mărimilor fizice proprii ale acestora, care servesc la

caracterizarea lor potenţială în procesul de lucru. Ei definesc performanţele

IF şi ale utilajelor componente.

Caracteristicile unei IF sau ale unui U reprezintă însuşirile specifice,

predominante (trăsăturile distincte), proprii instalaţiei sau utilajului.

Caracteristicile pun în evidenţă structura unei IF sau a unui U din

componenţa ei.

Pentru IF clasice s-au adoptat în România două mărimi fizice

principale:

sarcina maximă de lucru/ utilă de la cârlig ( 'F M );

112

puterea instalată (PIF),

şi o caracteristică principală, şi anume tipul acţionării (TA), care

desemnează tipul grupurilor de acţionare (GA) ale agregatelor/ sistemelor de

lucru principale (A/SLP).

Cu ajutorul parametrilor principali şi al caracteristicii principale se

nominalizează şi se standardizează IF româneşti.

Alte caracteristici ale IF sunt:

gradul de adaptare la condiţiile de mediu;

gradul de modularizare şi de transportabilitate;

arhitectura;

lanţul cinematic;

gradul de mecanizare şi automatizare;

sistemele de comenzi ale motoarelor, ambreiajelor, cutiilor de

viteze, frânelor, sculelor şi dispozitivelor de mecanizare şi ale

echipamentelor de automatizare.

Parametrii şi caracteristicile instalaţiilor de foraj se folosesc pentru

aprecierea competitivităţii lor.

Parametrii principali ai utilajelor (U) din componenţa IF se

determină dintr-o serie de condiţii esenţiale şi obligatorii impuse acestor U

ce aparţin A/SLP (A/SR, A/SC şi A/SM). Ei pot fi grupaţi, din punct de

vedere al domeniului de însuşiri, în categoriile:

– parametrii funcţionali;

– parametrii dimensional-constructivi;

– parametrii de durabilitate/ anduranţă.

În tabelul 3.10 sunt prezentate mărimile fizice proprii, principale, ale

utilajelor, grupate pe A/SLP.

Ceilalţi parametri, numiţi auxiliari, rezultă dintr-o serie de condiţii

de mai mică importanţă, dar a căror respectare asigură o concepţie unitară a

IF.

Problema proiectării, alegerii şi utilizării unei IF se reduce la

problema definirii posibilităţii acesteia de a construi o sondă, conform unui

program de tubare, cu o anumită traiectorie între amplasamentul de

suprafaţă (gura sondei; amplasamentul IF) şi locul de adâncime (ţinta

sondei; punctul de atingere a stratului productiv), forând-o, în condiţii

optime, până la adâncimea maximă (HM).

Ca urmare, este necesar să se coreleze parametrii IF şi ai U

componente, ca şi unele caracteristici, cu datele de construcţie a sondei ce

urmează să fie forată (adâncimea maximă, traiectoria sondei, intensitatea

devierii, diametrul maxim de coloană ce poate fi introdusă prin MR etc.) şi

cu anumite caracteristici ale formaţiunilor geologice traversate (tăria

rocilor, presiunea de zăcământ, existenţa gazelor, permeabilitatea straturilor

etc.).

În sensul corelării precizate mai sus, A/SM este esenţial pentru

definirea întregii IF, pentru că celelalte două A/SLP (A/SR şi A/SC) pot fi

adaptate uşor oricăror cerinţe, prin alegerea corespunzătoare a

echipamentelor sau utilajelor (Eq/U) lor, în principal, a MR, a CH şi a PN.

Pentru a uşura rezolvarea problemei proiectării şi, mai ales, a alegerii

şi utilizării unei IF, s-a recurs la definirea unor mărimi auxiliare, ale căror

113

măsuri caracterizează, însă, în mod direct, performanţele IF în procesul de

lucru.

Tabelul 3.10. Mărimile fizice proprii, principale, ale utilajelor, grupate pe agregate/

sisteme de lucru principale (A/SLP)

A/

SLP

Utilajul

(U)

Mărimile fizice proprii, principale

Funcţionale Dimensional-

constructive De anduranţă

A/SR

Masa

rotativă

(MR)

• '

..F MsMR ;

• nR.M;

• MR.M;

• MR..s.M.

• D ≡ DR;

• L/ S .

• Durabilitatea

angrenajului (conic);

• Durabilitatea rulmentului

principal.

Capul

hidraulic

(CH)

• '.F MCH > '

F M ;

• nM;

• pM.

• di≡di.TS;

• Tipo-dimens.

de legătură (cu

FN, RLCH şi

cârligul).

• CHLR ..F ;

• Durab. rulm. principal;

• Durabilitatea etanşării ţevii

de spălare (ŢS).

A/SC

Pompa de

noroi

(PN)

• pM;

• QM;

• Pa.PN.M.

• DM ≡ Di.C.M;

• S ≡ Sp.

• Durabilitatea angrenajului;

• Durabilitatea rulmenţilor;

• Durab. pieselor de uzură

(pistoanelor, supapelor,

cutiei de etanşare, patinelor).

A/SM

Cablul de

manevră

(CM)

• FM • dCM • tL ;

• Nî.M.

Geamblacul

de foraj

(GF)

• '.F MGF ≥ '

F M ;

• '..F MGFa ;

• z+1;

• De ≡ De.Ro;

• RC.

• GFLR ..F .

Ansamblul

macara-

cârlig

(MC)

• '.F MMC ≥ '

F M ;

• z;

• De≡De.Ro;

• RC;

• Dimens.

de legătură;

• SC.

• MCLR ..F .

Troliul de

foraj

(TF)

• FM;

• uM; um;

• MFP.M;

• MFA.M.

• DTM;

• LTM;

• LC.TM.

• Durabilitatea arborilor;

• Durabilitatea rulmenţilor;

• Durabilitatea lanţurilor;

• QFP.

Mastul

(MA) sau

turla (Tl)

• 'F M ;

• MMA.F .

• HMA;

• lp;

•

215;

214;4

MdpL .. .

Notaţii: '

..F MsMR – sarcina statică maximă a MR; nR.M – turaţia maximă a rotorului; MR.M –

momentul maxim de rotaţie; MR..s.M – momentul de torsiune static, maxim, la rotor; D ≡ DR

– diametrul nominal al MR (diametrul interior al rotorului/ diametrul de trecere prin MR);

L (= lungă), S (= scurtă) – distanţa dintre axul rotorului şi flanşa de antrenare; '.F MCH –

sarcina maximă de lucru a CH ( '.F MCH > '

F M ); nM – turaţia maximă a fusului; pM –

presiunea maximă de lucru a CH; di ≡ di.TS – diametrul interior al ţevii de spălare (ŢS);

CHLR ..F – sarcina limită/ capacitatea maximă în funcţie de rulmenţi; pM – presiunea

maximă de refulare a PN; QM – debitul maxim de fluid de foraj refulat de PN; Pa.PN.M –

puterea maximă de antrenare a PN; DM ≡ Di.C.M – diametrul interior maxim al cămăşilor cu

care poate fi echipată PN; S ≡ Sp – lungimea cursei pistonului; FM – forţa maximă din

ramura activă (RA) a cablului; dCM – diametrul nominal al cablului de manevră; tL –

lucrul mecanic total efectuat de cablu; Nî.M – numărul maxim de încovoieri ale cablului la

114

trecerea peste rolele MC şi GF şi peste TM; '.F MGF – sarcina maximă de lucru a GF

( '.F MGF ≥ '

F M ); '..F MGFa – sarcina maximă la axul, respectiv coroana GF; z+1 – numărul

de roţi/ role ale GF; De ≡ De.Ro – diametrul exterior al rolei GF sau macaralei; RC – raza

canalului pentru cablu al rolei GF sau nacaralei; '.F MMC – sarcina maximă de lucru a

ansamblului MC ( '.F MMC ≥ '

F M ); z – numărul de roţi/ role ale macaralei; SC – lungimea

cursei cârligului; MCLR ..F – sarcina limită/ capacitatea în funcţie de rulmenţi a MC; uM; um

– viteza maximă, respectiv minimă de înfăşurare a RA pe TM; MFP.M – momentul capabil

(maxim) al frânei principale (FP): cu bandă (FB) sau cu discuri (FD); MFA.M – momentul

maxim al frânei auxiliare (FA): hidraulice (FH) sau electromagnetice (FE); DTM – diametrul

TM; LTM – lungimea activă a TM; LC.TM – lungimea de cablu înfăşurată pe TM/ capacitatea

de înmagazinare a cablului; QFP – cantitatea de căldură produsă de FP/ încărcarea termică a

FP; 'F M – sarcina maximă utilă a IF; MMA.F – capacitatea după API/ sarcina admisibilă de

flambaj a mastului (MA); HMA – înălţimea liberă a MA; lp – lungimea pasului de prăjini de

foraj (PF);

215;

214;4

MdpL .. – lungimea totală maximă a paşilor de PF de 4", 4½" sau 5½" depuşi

la deget/ capacitatea de stivuire la deget a paşilor.

Aceste mărimi auxiliare sunt:

adâncimea maximă (HM);

mărimile perioadei de săpare/ foraj;

mărimile duratei în serviciu a IF.

Mărimile ce caracterizează perioada de săpare/ foraj sunt:

numărul de marşuri sau cicluri de manevră (NC.man);

adâncimea forată cu o sapă („metrajul pe sapă”) (hS; [hS]= m);

viteza de avansare a sapei (vAv; [vAv] = m/h);

timpul de foraj (propriu-zis) la o sondă (TF; [TF] = h);

lungimea totală a paşilor manevraţi la o sondă (introduşi sau

extraşi) (Lp.man; [Lp.man] = m);

viteza de manevră (vman; [vman] = m/h);

durata de construcţie a sondei (Tc.Sd; [Tc.Sd] = zile).

Mărimile ce caracterizează durata în serviciu a IF sunt:

viteza comercială (vcom; [vcom] = m/lună);

adâncimea forată într-un an (H1an; [H1an] = m);

număr de sonde forate într-un an (NSd.1);

număr de sonde forate în 10 ani (NSd.10);

durata în serviciu a IF (TIF);

durabilitatea cablului de manevră;

durabilitatea rulmentului roţii/rolei alegătoare a GF, exprimată

prin coeficientul de durabilitate şi prin capacitatea de încărcare

dinamică;

sarcina maximă a IF în funcţie de rulmenţii de la GF ( GFLR ..F );

durabilitatea transmisiilor cu lanţ şi angrenajelor;

durabilitatea mastului (MA) sau turlei (Tl);

durabilitatea ambreiajelor A/SM.

3.6. Forţa/ Sarcina de la cârlig

Sarcina utilă de la cârlig este una din mărimile fizice principale ale

IF. Este sarcina determinată de greutatea utilă (G):

115

Gf'F .

Fig. 3.10. Ansamblul macara-cârlig (MC), împreună cu chiolbaşii şi elevatorul: în elevator

este susţinută garnitura de foraj (Gar.F), în timpul manevrei sale; paşii de prăjini de foraj,

alcătuiţi din trei prăjini, sunt depuşi rastelul cu degete

S-a notat cu G greutatea utilă în aer, care reprezintă fie greutatea

garniturii de foraj (GGar.F), fie greutatea coloanei de burlane (GCB) în aer, fie

greutatea tot în aer a raizerului marin (Rz.M) şi a blocului/ ansambului de

prevenitoare de erupţie (An.Prev.E) (GRz.M) (în cazul forajului marin):

Rz.MCBFGar GGGG , ,. .

'F există în timpul mişcării şi al repausului. Astfel, '

F apare în

timpul forajului, al manevrei Gar.F (ridicării sau coborârii în sondă a Gar.F),

116

în timpul lansării în mare a raizerului marin, împreună cu An.Prev.E, în

timpul săltării CB şi introducerii ei în puţ, pentru tubarea porţiunii forate, şi,

de asemenea, în timpul operaţiilor de instrumentaţie.

Considerând o sondă verticală sau cvasiverticală (cu unghiul mediu

de înclinare a sondei faţă de verticală mai mic sau egal cu θ0 8,6 º), atunci

expresia generală a sarcinii/forţei utile de la cârlig este de forma următoare:

g

akkG

Cfmcrdf

o

f

..

'F 111 ,

, (3.40)

unde ρo este densitatea oţelului din care este confecţionat materialul tubular,

ρf – densitatea fluidului în care se găseşte materialul tubular; g – acceleraţia

gravitaţională; aC – acceleraţia mişcării cârligului; |aC| – modulul

acceleraţiei.

În relaţia de mai sus, δf.d este raportul dintre volumul de fluid (apă de

mare sau fluid de foraj) dezlocuit de CB sau Gar.F (Vf.d) şi CB sau Gar.F

(V), adică

V

V df

df

.

. . (3.41)

În general, există relaţia

VV df . (3.42)

şi, ca urmare,

1 df . . (3.43)

Dacă se manevrează Gar.F, atunci volumul de fluid de foraj

dezlocuit este egal cu cel al garniturii şi

1 FGardf ... , (3.44)

Dacă se manevrează CB, atunci, în funcţie de gradul ei de umplere,

este valabilă relaţia (3.42), respectiv (3.43), adică

1 CBdf .. , (3.45)

egalitatea fiind adevărată doar în cazul în care CB este plină cu fluid de foraj

cu aceeaşi măsură a densităţii ca şi fluidul din sondă.

kr,c din relaţia (3.40) este coeficientul care ţine seama de frecarea

între Gar.F sau CB şi peretele puţului şi fluidul de foraj, la ridicare (r),

respectiv la coborâre (c).

Semnul din faţa lui kr,c se consideră astfel: „+”, pentru operaţia de

ridicare (r); „–” pentru operaţia de coborâre (c).

În relaţia (3.40), s-a notat cu kmf coeficientul de masă al fluidului de

foraj din interiorul Gar.F sau CB şi al fluidului aderent de peretele exterior

al acesteia şi se defineşte prin formula

m

mmk

afif

fm

..

.

. (3.46)

În cazul unei CB pline cu fluid de foraj, cu aceeaşi măsură a

densităţii ca şi aceea a fluidului din spaţiul inelar, fmk.

se poate aprecia cu

formula:

117

1

1

41

1

2CBtn

jjjDi

CB

CB

af

o

f

fm

lk

L

D

sk

.

,

.

., (3.47)

unde sf.a – grosimea stratului de fluid de foraj aderent de peretele exterior al

CB, CBD este diametrul nominal al CB; CBL – lungimea CB; nt.CB – numărul

de tronsoane din care este alcătuită CB; lj – lungimea tronsonului de ordinul

j; kDi.j – coeficientul diametrului interior al burlanelor din tronsonul j (Di.B.j),

CB

jBi

jDiD

Dk

..

. . (3.48)

Conform unor măsurători efectuate de autor pe prăjini de foraj de 5", pentru

fluide de foraj cu măsuri diferite ale vâscozităţii, temperaturii (între 33,5 ºC

şi 55 ºC) şi densităţii (între 1,14 kg/dm3 şi 1,32 kg/dm

3), a rezultat că

sf.a0,334; 0,971mm, măsurii mici a densităţii corespunzându-i măsura

mare a grosimii stratului de fluid de foraj aderent de peretele exterior al

prăjinii.

Semnul din faţa ultimului termen din paranteza pătrată din formula

(3.40) are următoarea semnificaţie: semnul „+” este valabil pentru operaţia

de ridicare, în faza de demaraj (r.d), şi pentru operaţia de coborâre, în faza

de oprire (c.o), iar semnul „–” pentru ridicare, la oprire (r.o), şi pentru

coborâre, la demaraj (c.d).

Observaţie. Este impropriu spus sarcina utilă de la cârlig, pentru că

această sarcină acţionează la elevator. Ca urmare, în calcule trebuie să se

considere acest lucru.

Prin sarcină/ forţă totală de la cârlig se înţelege forţa care acţionează

fie la axul macaralei, fie în ramurile înfăşurării cablului dintre macara şi

geamblac, imediat sub geamblac, în funcţie de scopul calcului care trebuie

efectuat.

Formula generală a forţei totale de la cârlig, scrisă vectorial, este

următoarea:

g

aG

g

akkG

CCfmcrdf

o

f1111 0,

..F . (3.49)

în care G0 reprezintă greutatea permanentă sau moartă.

Dacă se admite că forţa F acţionează în axul macaralei, atunci

greutatea permanentă este formată din greutatea ansamblului macaralei (M),

greutatea top drive-ului (TD), greutatea chiolbaşilor (Ch) (care se poate

include în cea a TD) şi cea a elevatorului (El) de prăjini de foraj, în cazul

manevrei Gar.F, sau a elevatorului cu pene (El.P)/ broaştei elevator, în cazul

introducerii CB:

ElChTDM GGGGG 0 ;

PElChTDMT GGGGG .. 0 .

Numim G0.T greutatea permanentă/ moartă la tubare.

Pentru calculul forţei din ramura activă (RA) şi din ramura moartă

(RM), se consideră şi greutatea ramurilor de cablu [înfăşurării cablului de

manevră (CM)] dintre macara şi geamblac (GCM), adică:

118

CMPElElChTDM GGGGGG ./0 .

Sarcina normală18

utilă de la cârlig (ℱ′n) este cea mai mare sarcină

regulată/ sistematică (deoarece apare în mod repetat) şi este determinată de

cea mai grea Gar.F, considerată în condiţiile cele mai grele: θ = θ0, pentru

care influenţa forţei de frecare dintre CB şi peretele sondei este cea mai

mare (adică unghiul pentru care forţa de frecare este maximă), la ridicare, în

faza de demaraj, fluid uşor (ρf = 1,1 t/m3). Ca urmare, prin particularizarea

expresiei (3.40), se poate scrie:

g

akkG

nCn

fmn

r

o

f

MFGarn ...

'F 111 , (3.50)

în care ,20nrk şi 2m/s1,5 ,5;0 n

Ca .

ℱ′n apare în momentul săltării Gar.F de pe talpa puţului, după ce s-a

terminat forajul (s-a ajuns la adâncimea maximă), în vederea ridicării Gar.F.

Sarcina maximă utilă de la cârlig este fie sarcina neregulată sau

nesistematică maximă (deoarece apare în mod neregulat, şi anume la

tubare), fie sarcina întâmplătoare maximă (pentru că apare în mod

întâmplător, şi anume în timpul operaţiilor de instrumentaţie), ceea ce se

scrie astfel:

ℱ′M = max {ℱ′

M.T; ℱ′M.D}. (3.51)

Sarcina neregulată maximă este sarcina maximă utilă la tubare

(ℱ′M.T), adică sarcina determinată de cea mai grea coloană de burlane (CB)

folosită pentru tubarea puţurilor, considerând condiţiile cele mai grele. În

cazul operaţiei de tubare, condiţiile cele mai grele se consideră următoarele:

unghiul de deviere a sondei θ0, flotabilitate scăzută (adică densitatea cea

mică a fluidului de foraj), coloană plină cu fluid de foraj şi momentul săltării

din pene a coloanei întregite, înainte de introducerea ultimului burlan. Ca

urmare, folosind (3.40), ℱ′M.T se calculează cu expresia:

g

akkG

MCM

fmM

r

o

f

MCBTM ..

'

.F 111 , (3.52)

în care ,20Mrk şi 2m/s1,5 ,5;0 M

Ca .

Dacă se admite ρf = 1,1 t/m3, ,20M

rk , 2m/s1,5 ,5;0 MCa şi

,6360Mfmk

., atunci rezultă

MCBTM G .

'

.F 1,282 ,115;1 .

Sarcina întâmplătoare maximă este sarcina maximă de degajare a

garniturii de foraj (ℱ′M.D), adică sarcina care apare la degajarea celei mai

grele garnituri de foraj (Gar.F.M), în condiţiile cele mai grele: unghiul de

deviere a sondei θo şi flotabilitate redusă. Rezultă expresia:

18

O mărime fizică ce caracterizează o instalaţie, maşină etc. sau proces tehnologic se

numeşte normală, dacă măsura ei este apropiată de măsurile întâlnite cel mai des în timpul

funcţionării instalaţiei, maşinii etc. sau desfăşurării procesului tehnologic respectiv.

119

MD

o

f

MFGarDM FG ...

'

.F

1 (3.53)

sau

MD

o

f

MFGarDM cG ...

'

.F

11 , (3.54)

unde FD.M este forţa de degajare maximă şi cD.M – coeficientul de degajare

maxim. Conform relaţiei (3.54), cD.M este un coeficient al forţei de frecare

statice ce ia naştere între Gar.F şi terenul surpat, în timpul prinderii la puţ a

Gar.F de greutate maximă.

Datele statistice arată că măsura lui FD.M nu a depăşit 600 kN, pentru

majoritatea cazurilor de lichidare a prinderilor de Gar.F, fără deteriorarea

lor.

Pentru FD.M 600 kN şi ρf = 1,1 t/m3, rezultă

600,860 MFGarDM G ..

'

.F

şi

MFGar

MDG

c..

.

,8697 ,

unde [GGar.F.M] = kN.

IF trebuie să fie echipată astfel încât să lucreze în condiţii de

siguranţă deplină, până la o anumită sarcină limită, numită sarcină limită de

lucru. Dacă se efectuează operaţii de manevră a Gar.F, atunci sarcina limită

este sarcina normală de lucru. Dacă se efectuează operaţii de tubare şi de

instrumentaţie, atunci sarcina limită este sarcina maximă de lucru. Admitem

că sarcinile de lucru normală şi maximă sunt sarcini utile de la cârlig, adică

sarcina normală utilă şi, respectiv, sarcina maximă utilă.

Aşa cum se constată din tabelul 3.10, alegerea echipamentului de

manevră al IF, de exemplu, alegerea ansamblului MC, a GF, a CH şi a turlei

(Tl), se face astfel încât sarcina de lucru maximă a acestuia să fie mai mare

sau egală cu sarcina maximă utilă de la cârlig. Alegerea cablului de manevră

(CM) trebuie să se facă şi în funcţie de raza canalului pentru cablu al

manşonului spiralel al tobei de manevră (TM) şi al rolelor/roţilor macaralei

şi geamblacului. Dar, CM reprezintă veriga cea mai slabă a SM. Pe de altă

parte, se poate întâmpla să se aleagă un cablu cu diametrul corespunzător

razei canalului de la manşonul spiralel şi de la rolele macaralei şi

geamblacului, dar care să aibă o sarcină de rupere mai mică decât aceea

impusă de sarcina maximă utilă de la cârlig. O astfel de alegere poate fi

făcută şi în situaţia în care se forează la o adâncime mai mică decât cea

maximă recomandată pentru tipul de instalaţie care se utilizează. Ca urmare,

sarcina de lucru reală a IF este determinată de sarcina minimă de rupere a

cablului (Sr.m).

Astfel, sarcina totală, normală, reală a IF, ca sarcină de lucru, reală,

regulată, maximă, se determină cu ajutorul sarcinii Sr.m, folosind relaţia:

n

mrGM

n

c

Sz .

F 2 , (3.55)

120

unde z este numărul de role de la macara, ηM-G – randamentul maşinii

macara-geamblac (M-G) şi cn – coeficient de siguranţă care se admite pentru

alegerea CM în cazul sarcinilor regulate, având valoarea (conform API RP

9B [3.16])

3nc .

Sarcina totală, maximă, reală a IF, ca sarcină de lucru, reală,

neregulată sau întâmplătoare, maximă, se calculează cu ajutorul sarcinii Sr.m,

folosind relaţia:

M

mrGM

M

c

Sz .

F 2 , (3.56)

unde cM este coeficientul de siguranţă care se admite pentru alegerea CM, în

cazul sarcinilor neregulate şi întâmplătoare, şi care are valoarea (conform

API RP 9B [3.16])

2Mc .

Din relaţiile (3.55) şi (3.56), se obţine raportul

,51M

n

n

M

c

c

F

F,

din care se constată că sarcina totală, maximă, reală a IF este de 1,5 ori mai

mare decât sarcina totală, normală, reală a acesteia.

Măsurile sarcinilor reale, maximă ( MF ) şi normală ( n

F ),

reprezintă parametrii de comparaţie pentru IF. Se observă că aceste sarcini

sunt funcţii de numărul de role de la macara (z) şi de sarcina reală minimă

de rupere a cablului (Sr.m). Deoarece Sr.m depinde de tipul cablului (TC),

diametrul acestuia (dC) şi de rezistenţa minimă de rupere a firelor (Rm),

atunci există funcţiile mCMM Rdzf , TC, ,F

şi mCnn Rdzf , TC, ,F .

În cazul metodei de foraj rotativ, adâncimea maximă de foraj (HM) se

obţine cu ajutorul unei Gar.F cu o anumită componenţă, deci, cu o anumită

greutate. Dacă pentru forajul sondelor la adâncimea maximă se folosesc

Gar.F cu ansamblul superior (An.S) alcătuit din prăjini de foraj (PF) de

acelaşi diametru nominal (DPF), atunci adâncimea maximă la care poate

ajunge o IF poate constitui un parametru de comparaţie pentru IF şi se poate

impune o corelaţie între MF şi HM. Pentru HM 8 000 m se consideră, în

mod convenţional, PF cu diametrul nominal de 4½" sau de 5". Astfel, pentru

o IF cu o anumită sarcină MF sau n

F se poate recomanda o anumită

adâncime maximă de foraj folosind PF de 4½",

214

recMH.

, sau PF de 5",

5recMH . .

Sarcina nominală a instalaţiei de foraj (IF) este sarcina care se

foloseşte pentru nominalizarea şi standardizarea/ tipizarea IF.

IF construite în România până în anul 1970 au fost nominalizate cu

sarcina normală utilă de la cârlig. Ele erau realizate după normele C.A.E.R.

De exemplu, 2DH-75, 3DH-200, 3DH-250 şi 4DH-315.

121

După 1970, s-au proiectat şi fabricat în România IF după normele

STAS, care sunt în concordanţă cu normele API, recunoscute pe plan

mondial în domeniul construcţiei de utilaj petrolier. Aceste IF, din categoria

celor cu destinaţia „săparea sondelor de petrol şi gaze cu diametrul normal şi

forajul de adâncime pentru cercetări geologice”, realizate după 1970, au fost

tipizate după sarcina maximă utilă de la cârlig (ℱ′M), conform STAS 6234-

87 („Instalaţii de foraj rotativ. Parametrii principali”), care corespunde cu

API Spec. 8A [3.17] şi API Spec. 8C [3.18] (vezi tabelul 3.11).

Astfel, alegerea tipului de instalaţie de foraj se face, actualmente, pe

baza măsurii lui ℱ′M şi a tipului de acţionare (TA).

Măsura sarcinii maxime utile de la cârlig, pe care o notăm cu μ(ℱ′M),

este parametrul nominal al instalaţiilor de foraj româneşti, iar tipul de

acţionare (TA) reprezintă caracteristica de nominalizare a acestora,

conform semnelor grafice de nominalizare:

F w(ℱ′M)–NDH DH–T ; F w(ℱ′

M)–NEHC EHC–n; F w(ℱ′M)–DEWL/DEC/EC,

în care litera F arată destinaţia instalaţiei – foraj; w(ℱ′M) este valoarea

numerică a măsurii sarcinii maxime utile de la cârlig, considerând ca unitate

de măsură tona-forţă, [ℱ′M] = tf; NDH/EHC – numărul de grupuri de acţionare

de tipul DH sau EHC; T – literă care arată că instalaţia este transportabilă

(în stare semi-montată, S-M); n – cifră care indică numărul de ordine al

variantei constructive. De exemplu: F50, F100-T, F125–2DH, F125–2DH–

T, F200–2DH–7, F200–3EHC–4, F320–EC, F400–DEC, F500–DEWL.

Observaţie. Există şi abateri de la aceste semne grafice generale, ca

de exemplu: F125–SA (unde „SA” înseamnă că instalaţia este

transportabilă, în stare semimontată, pe şasiu autopropulsat), F200–Heli (în

care „Heli” precizează că instalaţia este transportabilă cu elicoterul),

FM320-3DEWL (unde „FM” înseamnă instalaţie pentru „foraj marin =

FOMAR”) etc. Instalaţia FM320-3DEWL a echipat platformele de foraj

marin, de tipul autoridicător, construite în România. Acum, aceste platforme

sunt echipate cu IF cu acţionare DEC sau DEA. Aceste platforme pot fora

până la adâncimea maximă de 6 000 m, în ape adânci de până la 90 m.

Prima platformă de foraj marin românească, denumită GLORIA, a început

forajul în platforma continentală a Mării Negre, aparţinând României, în

septembrie 1976. După aceea, au fost construite alte 8 platforme

autoridicătoare, de acelaşi tip. Astăzi, platforma GLORIA este transformată

în platformă de extracţie.

S-au realizat în România şi IF destinate forajului puţurilor miniere,

de diametru mare (DS.M), cuprins între 1,83 m (72 in) şi 6,223 m (245 in)

[3.12]. Dintre acestea, se amintesc: F320-3DH-M (cu DS.M = 3,62 m), şi

FM400-4DH (cu DS.M {3,785; 4,978; 6,223}·m).

F320-3DH-M a fost obţinută prin adaptarea şi completarea în mod

corespunzător a instalaţiei F320-3DH iar FM400-4DH a fost construită

special pentru scopuri miniere.

122

Tabelul 3.11. Parametrii tipizaţi ai IF, din cele nouă clase, F50÷F900, conform STAS 6234-87

Mărimea

fizică

U.M.

IF T (S-M) IF T (SAn)

U M U M SG G FG UG

F50 F80 F125 F200 F125 F200 F320 F450 F580 F680 F900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

ℱ′M tf 50 80 100 125 200 125 200 320 400 500 680 900

kN 580 890 – 1340 2230 1340 2230 3120 4450 5790 6680 8900

UStonf 65 100 – 150 250 150 250 350 500 650 750 1000

HM m 600÷

1000

1000÷

1600

1500÷

2000

1500÷

2800

2000÷

4000

2000÷

2800

2500÷

4000

4000÷

6000

5000÷

7000

6000÷

8000

7000÷

9000

8500÷

12000

PIF

(fără

GMP)

kW 160 370 340 590 1015 1310 1310 1965 2600 2600 3400 3400

CP 220 500 460 800 1380 1780 1780 2670 3530 3530 4620 4620

Pa.TF kW 105 295 295 515 990 662 990 1470 2200 2200 2944 3300

FM tf 10(9,5) 12(11,9) 15(14,9) 20(18,6) 25(24,7) 20 25 38(39,4) 44(42,6) 55(53,3) – 77(75,7)

kN 110 135 – 200 275 200 275 385 475 620 700 845

dC mm

(in)

22

(⅞)

25

(1)

25

(1)

28

(1⅛)

32

(1¼)

28

(1⅛)

32

(1¼)

35

(1⅜)

35; 38

(1⅜);

(1½)

38; 41

(1½);

(1⅝)

41; 44

(1⅝);

(1¾)

44; 48

(1⅞);

(1⅞)

zx(z+1) – 3x4 4x5 4x5 4x5 5x6 4x5 5x6 5x6;

6x7

6x7 6x7;

7x8

7x8 7x8;

8x9

ℱ′MC.M

kN 580 890÷

1340

890÷

1340

1340÷

2230

3120 2230 3120 4450 5790 6680 8900 8900

UStonf 65 100÷

150

100÷

150

150÷

250

350 250 350 500 650 750 1000 1000

ℱ′CH.M tf 80 125 125 200 320 200 320 400 500 650 – –

kN 710 1068 1780 1780 3560 2670 3560 4450 5790 6680 6680 6680

UStonf 80 120 200 200 400 300 400 500 650 750 750 750

Pa.MR kW 74 180 180 295 370 370 370 370 440 440 440 736

DR in 17½ 17½ 20½ 20½ 20½ 20½ 20½ 27½ 27½ 37½ 37½ 49½

mm 444,5 444,5 520,7 520,7 520,7 520,7 520,7 698,3 698,3 952,5 952,5 1257,3

123

Tabelul 3.11 (continuare). Parametrii tipizaţi ai IF, din cele nouă clase, F50÷F900, conform STAS 6234-87

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Nr. PN buc. 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 4

Pa.PN

kW 295 295 515 515÷

736

515÷

736

515÷

736

515÷

736

955 955÷

1175

1175 1175 1175÷

1840

CP 400 400 700 700÷

1000

700÷

1000

700÷

1000

700÷

1000

1300 1300÷

1600

1600 1600 1600÷

2500

pM MPa 21 21 21 21÷30 21÷30 21÷30 21÷30 35 35 35 35 35÷70

ℱMA.M kN 1100 1500 1800 2300 3100 2450 3100 4800 6300 8300 – –

HMA m 28 32 33,4 33,9 41,8 40,1 41,8 43,5 44 44 48 55,5

lp m 18 18 18 18 27 27 27 27 27 27 27 36

hPL.IF m 2,3 3,6 4,5 4,5 4 4,4 5,0 6,7 6,9 9,1 9,1 11,6

ℱG.MR.M tf 50 80 100 125 200 125 200 320 400 500 – 900

kN 580 890 – 1340 2230 1340 2230 3120 4500 5790 6680 8900

ℱP.PF.M tf 32 60 80 100 180 80 125 200 300 400 – 600

kN 360 580 – 890 1340 890 1340 2230 3120 4500 4500 5790

Observaţii. 1) Sarcina maximă utilă de la cârlig este sarcina limită care poate fi aplicată numai în timpul operaţiilor de tubare şi de instrumentaţie. 2) HM este

adâncimea maximă, recomandată în situaţia în care se folosesc prăjini de foraj de 4½". 3) PIF reprezintă puterea instalată minimă a IF, fără grupuri motopompă. 4) La

IF din clasele F50, F80 şi F125 cu grad de transportabilitate (Grd.Tr.) de tipul S-M, pompa de noroi (PN) este acţionată separat şi ansamblul format din grupul de

acţionare DH şi pompa de noroi se numeşte grup motopompă (GMP). 5) FM este forţa de tracţiune maximă din ramura activă a cablului de manevră (CM), rezultată din

acţiunea sarcinii maxime de la cârlig. 6) z x (z+1) desemnează „înfăşurarea cablului” în cadrul maşinii macara-geamblac, prin numărul de role de la macara (z) şi de la

geamblac (z+1). 7) Pa.MR este puterea de antrenare minimă a mesei rotative (MR). 8) Pa.PN reprezintă puterea de antrenare minimă a PN, adică puterea minimă de la

arborele de intrare al PN. 9) Capacitatea convenţională a mastului (MA) (ℱMA.M) reprezintă o încărcare centrică, aplicată la partea superioară a mastului şi egală cu

suma capacităţilor portante ale montanţilor în secţiunea transversală cea mai slabă. Ea reprezintă, de fapt, sarcina admisibilă de flambaj a mastului. 10) Sarcina maximă

de la grinzile mesei rotative (G.MR) (ℱG.MR.M) şi sarcina maximă pe pernele de prăjini de foraj (P.PF) (ℱP.PF.M), aplicate simultan, constituie mărimea definitorie a

substructurii.

124

Tabelul 3.12. Variante de instalaţii de foraj din punctul de vedere al gradului de transportabilitate (Grd.Tr), al tipului de acţionare (TA) şi al construcţiei

Clasa IF F50 F80 F125 F200 F125 F200 F320 F450 F580 F680 F900

Grd.Tr S-M S-M S-M S-M T (SAn) T (SAn);

T(H)

T (SAn) T (SAn) T (SAn) T

(SAn)

T (SAn)

ℱ′M tf 50 80 100 125 160 200 100 125 200 320 400 500 680 900

kN 580 890 – 1340 – 2230 – 1340 2230 3120 4450 5790 6680 8900

UStonf 65 100 – 150 – 250 – 150 250 350 500 650 750 1000

ℱ′n

tf 33 64 80 83 107 133 67 83 133 213 267 333 – 533

kN 387 712 – 893 – 1487 – 893 1487 2080 2970 3860 4450 5933

UStonf 43 80 – 100 – 167 – 100 167 233 333 433 500 667

ℱ′p

tf 60 95 – 150 – 240 – 150 240 385 480 600 780 960

kN 695 1060 – 1600 – 2675 – 1600 2675 3750 5300 6900 8000 10680

Variante de IF

d.p.d.v. al Grd.Tr, TA. şi

al construcţiei

T50B

T50 F50

P50-

SA P80-

SA

F80

F80-SA

F100-T

F125-2DH-T

F125-DEC-T F125-SA

F150-DEC-T

F160-SA

F200-3DH-T

F200-DEC-T

F100-2DH

F100-EC

F125-2DH

F125-DEC F125-EC

F200-2DH

F200-2DH-3 F200-2DH-7

F200-3EHC-4

F200-EC F200-5DH-

Heli

F320-3DH

F320-3DH-5 (F320-3DE)

F320-DEC

F320-EC FM320-

3DEWL

F400-4DH

F400-5DH F400-DEC

F400-EC

F500-4DH

F500-DEWL

F500-DEC

F500-EC

–

–

HM m 600÷

1000

1000÷

1600

1500÷

2000

1500÷

2800

2000÷3600 2000÷

4000

1800÷

2300

2000÷

2800

2000÷

4000

4000÷

6000

5000÷

7000

6000÷

8000

7000÷

9000

8500÷

12000

Observaţii. 1) Sarcina normală la cârlig ℱ′n este sarcina limită care poate fi aplicată fără restricţii în timpul operaţiilor de manevră (introducere şi extragere) a garniturii

de foraj (Gar.F). Aceasta este ℱ′M/1,5 pentru instalaţiile din clasele F50, F125, F200, F320, F450, F580, F680 şi F900. Pentru instalaţiile din clasa F80, sarcina normală

este ℱ′M/1,25. 2) ℱ′

p este sarcina de probă a IF.

125

Litera „M” din semnul grafic de nominalizare a acestor IF

desemnează destinaţia lor: forajul „minier”. Cu instalaţia F320-3DH-M s-au

forat puţurile miniere de aeraj şi de exploatare, de 3,62 m şi adâncimea de

326 m, pentru mina de petrol de la Buştenari (jud. Prahova), şi puţul de

aeraj, tot de 3,62 m şi adâncimea de 156 m, pentru mina de lignit de la

Măgureni-Tufeni (jud. Prahova). Cu instalaţia FM400-4DH s-au săpat

puţuri cu diametrul de 4,978 m, tubate cu burlane cu diametrul util de

3,95m, la Baraolt (şi anume, două puţuri, primul fiind forat la adâncimea de

388 m, dar tubat la 352 m, din cauza ruperii Gar.F, iar al doilea, săpat la

356m şi tubat la 355 m), la Măgureni-Tufeni (puţul de exploatare pentru

mina de lignit, cu adâncimea de 156 m) şi un puţ cu diametrul de 6,223 m,

pentru o mină de minereu de fier (care a fost abandonat, însă, din cauza

întâmpinării unor probleme de ordin tehnologic şi tehnic – determinate de

străbaterea unei pânze de apă freatică – a căror rezolvare necesita investiţii

importante), la Palazu Mare (jud. Constanţa).

IF de cea mai mare capacitate, realizată până acum, în România, este

F500-DEWL. Din aceeaşi clasă mai fac parte F500-4DH şi F500-DEC/EC.

Există nouă clase de IF: F50; F80; F125; F200; F320; F450; F580 ;

F680; F900 (vezi tabelul 3.11). În fiecare clasă se includ diferite variante

constructive de IF, diferenţiate după gradul de tranportabilitate (Grd.Tr),

tipul acţionării (TA) (grupului de acţionare) şi numărul de motoare/ grupuri

de acţionare (vezi exemplele de mai sus şi tabelul 3.12).

Măsurile sarcinii maxime de lucru ale IF şi ale elementelor

componente ale Eq.M, '

.F MEq , sunt tipizate conform API Spec. 8A [3.17] şi

API Spec. 8C [3.18] (vezi tabelul 3.13), existând 17 clase dimensionale.

Tabelul 3.13. Măsurile tipizate ale sarcinii maxime de lucru ale IF şi

ale utilajelor componente ale Eq.M

'

M.EqF

US

tonf 5 10 15 25 40 65 100 150 200

x102 kN

0,45 0,90 1,35 2,25 3,6 5,8 8,9 13,4 17,8

Notă: 1 US tonf ≡ 1 tons = 8,89644 kN 8,9 kN 9 kN

Tabelul 3.13 (continuare). Măsurile tipizate ale sarcinii maxime de

lucru ale IF şi ale utilajelor componente ale Eq.M

'

M.EqF

US

tonf 250 300 350 400 500 650 750 1000

x102 kN

22,3 26,7 3,12 35,6 44,5 57,9 66,8 89,00

Clasa dimensională („Size class”, în lb. en.) reprezintă măsura

sarcinii nominale a IF şi a utilajelor care fac parte din Eq.M şi pune în

evidenţă interschimbabilitatea dimensională a acestora.

Măsura tipizată a sarcinii maxime de lucru, '

.F MEq , se foloseşte la

determinarea solicitărilor efective ale pieselor de rezistenţă ale utilajelor

care fac parte din categoria Eq.M, cu ajutorul cărora acestea se

dimensionează, se verifică şi se testează.

126

3.7. Acţionarea

Pentru acţionarea IF se folosesc următoarele tipuri de grupuri de

acţionare (GA): diesel-hidraulic (DH), diesel-hidromecanic (DH-M),

electrohidraulic cu convertizor (EHC), electrohidrostatic (EHs), diesel

electric în curent continuu (DEC), diesel electric cu grup Ward-Leonard

(DEWL) şi electric în curent continuu (cu alimentare de la reţea) (EC). În

fig. 3.11 ÷ 3.13 şi 3.16 ÷ 3.17 sunt reprezentate aceste GA. În fig. 3.14 se

prezintă un grup electrogen (GE) de curent alternativ.

Fig. 3.11. Grupul de acţionare de tipul DH: D – motor diesel; GF – grup de foraj; a.cd – arbore

cardanic; CHC – convertizor hidraulic de cuplu; CB –

cuplaj cu burduf; T – tamburul CB; B – burduf

Fig. 3.12. Grupul de acţionare de tipul DH-M: D – motor diesel; TH-M – transmisie hidromecanică; CV – cutie de viteză; iCV.I, iCV.II,

..., iCV.n – rapoartele de transmitere ale CV (de

ordinul I, II, ..., n)

GA de tipul DH este alcătuit dintr-un motor diesel (D) şi un

convertizor hidraulic de cuplu (CHC):

DH = D(GF)+CHC.

Motorul D este echipat în mod corespunzător pentru a face faţă condiţiilor

de funcţionare la o IF. De aceea, el se numeşte grup de foraj (GF). Dacă un

GA sau două GA de tipul DH antrenează separat o pompă de noroi (PN),

atunci se vorbeşte despre un grup motopompă (GMP).

GA de tipul DH-M (vezi fig. 3.12) este compus dintr-un motor D, şi

o transmisie hidromecanică (TH-M):

DH-M = D+TH-M.

La rândul ei, TH-M se compune dintr-un CHC şi o cutie de viteză integrată

(CV):

TH-M = CHC+CV.

Utilizarea TH-M permite o simplificare a lanţului cinematic al IF,

prin renunţarea la cutiile de viteză din cadrul fiecărui A/SL, datorită

numărului mare de trepte de viteză ale CV integrate, şi, totodată, asigură,

din acelaşi motiv, un randament mai mare de funcţionare a convertizorului,

în comparaţie cu acţionarea DH, deoarece CV este alcătuită din angrenaje.

Fig. 3.13. Grupul de acţionare de tipul EHC: Fig. 3.14. Grupul electrogen de c.a. (GE c.a.):

ME.As – motor electric asincron D – motor diesel; G – generator de c.a

GA de tipul EHC (vezi fig. 3.13) are în compunerea sa un motor

electric de curent alternativ, asincron, cu rotorul în scurtcircuit (ME.As), şi

un CHC:

127

EHC = ME.As+CHC.

Acest tip de GA se utilizează, mai ales, pentru acţionarea pompelor

de noroi (PN). Ansamblul format dintr-un grup EHC şi o PN se numeşte

grup electropompă (GEP).

În cadrul IF cu acţionare DH există şi un grup electrogen (GE) (vezi

fig. 3.14), necesar pentru producerea curentului alternativ, utilizat pentru

alimentarea consumatorilor auxiliari de forţă (Cs.AF). De asemenea, la IF

cu acţionare EC, un astfel de GE se foloseşte pentru alimentarea motorului

electric de acţionare a agregatului de salvare a garniturii de foraj (AS.Gar.F)

(vezi subcap. 3.2). Grupul electrogen este format dintr-un motor D şi un

generator de c.a (G~):

GE c.a. = D+G~.

GA de tipul EHs (vezi fig. 3.15) este format dintr-un ME.As şi o

transmisie hidrostatică rotativă (THs.R):

EHs = ME.As+THs.

Fig. 3.15. Grupul de acţionare de tipul EHs: THs – transmisie hidrostatică; GHs – generator hidrostatic

(cu capacitate variabilă); MHs – motor hidrostatic; EHCR

– elemente hidraulice de comandă şi reglare; Rz – rezervor

THs.R se compune dintr-un generator hidrostatic (GHs) (o pompă

hidrostatică, PHs) cu pistoane axiale sau radiale, cu capacitate variabilă, şi

un motor hidrostatic rotativ (MHs.R), de obicei, de aceeaşi tipodimensiune

ca şi generatorul. De exemplu, instalaţiile F320-3DH-M şi FM400-4DH au

masa rotativă (MR) acţionată separat de un GA de tipul EHs, cu două

pompe/generatoare şi tot atâtea motoare hidrostatice cu pistoane axiale, la

F320-3DH-M, şi, respectiv, cu patru pompe şi patru motoare hidrostatice cu

pistoane axiale, la F400-3DH-M.

Fig. 3.16. Acţionarea de tipul EC: RE c.a. – reţea electrică de curent alternativ de 20 kV;

TRAFO – transformator (20 kV – 660 V); B.660V~ – bară comună de alimentare cu c.a.

de 660 V; SACR – staţie de acţionare, comandă şi redresare (cu tiristoare); CRC –

compartiment de reglare şi comutare; M – motor de curent continuu (c.c.)

În cazul acţionării EC (conform fig. 3.16), curentul alternativ este

preluat de la reţeaua de 20 kV~ (RE c.a. 20 kV) şi, după coborârea tensiunii

la 660 V~, cu ajutorul a două transformatoare (ΣTRAFO), este redresat cu

staţiile de acţionare, comandă şi redresare (ΣSACR) şi, apoi, alimentează

128

motoarele de c.c. (Σ M ), după ce trece printr-un compartiment de reglare (a

turaţiei) şi comutare (CRC):

EC = ΣTRAFO+B.(660 V~)+ΣSACR+CRC+Σ M .

a b

Fig. 3.17. Acţionările de tipurile DEC (a) şi DEWL (b): Mc. c.a. – microcentrală de c.a.; D –

motor diesel; G~ – generator de c.a.; B.660V~ – bară comună de de alimentare cu c.a. de 660 V;

SACR – staţie de acţionare, comandă şi redresare (cu tiristoare); M – motor de curent continuu (c.c.);

Mc. c.c. microcentrală ce c.c.; G – generator de c.c.; SCRC staţie de comandă, reglare şi comutare

Acţionarea de tipul DEC (vezi fig. 3.17) constă dintr-o microcentrală

de c.a. (Mc.c.a.) – formată din mai multe grupuri electrogene de c.a (ΣGE

c.a.) – o bară comună de 660 V c.a. (B.660V~), din două staţii de acţionare,

comandă şi redresare (ΣSACR), un compartiment de reglare (a turaţiei

motoarelor) şi de comutare (CRC) şi din motoare de c.c (Σ M ):

DEC = Mc. c.a.+B.(660 V~)+ΣSACR+CRC+Σ M ,

unde

Mc. c.a. = ΣGE c.a.

DEWL este acţionarea compusă dintr-o microcentrală de c.c (Mc

c.c) – formată din mai multe grupuri electrogene de c.c. (ΣGE c.c.) – dintr-o

staţie de comandă, reglare şi comutare (SCRC) şi din mai multe motoare

electrice de c.c. (Σ M ):

DEWL = Mc. c.c.+SCRC+Σ M ,

unde

Mc. c.c. = ΣGE c.c.

Grupul alcătuit dintr-un generator de c.c. şi un motor de c.c., împreună cu

SCRC, reprezintă o transmisie electrică de c.c. (TE c.c.), care se numeşte

grup Ward-Leonard (WL):

TE c.c. ≡ WL = G +SCRC+ M .

Grupurile de acţionare de tipurile DH, DH-M, DEC şi DEWL sunt

autonome, ele nedepinzând de sursa de energie electrică, în comparaţie cu

grupurile EHC, EHs şi EC care sunt neautonome (vezi subcap. 3.1).

Prin forma curbei caracteristicii funcţionale, adică a curbei de

variaţie a vitezei unghiulare a arborelui de ieşire din grup în funcţie de

momentul dezvoltat la acest arbore, ω = f(M), tipul de GA influenţează, în

129

mod direct, corelarea mărimilor funcţionale ale sistemului de lucru (SL), şi

anume dependenţele:

viteza de mişcare a cârligului în funcţie de forţa de la cârlig,

vC=f(ℱ), pentru sistemul de manevră (SM);

viteza unghiulară a prăjinii de antrenare în funcţie de moment,

ωPA=f(MPA), pentru sistemul de rotaţie (SR);

debitul refulat de pompa de noroi în funcţie de presiune, Q =

f(p), pentru sistemul de circulaţie (SC).

3.8. Structura funcţională

Structura funcţională a IF este impusă de modul de acţionare (MA),

care, la rândul lui, este determinat de tipul acţionării (TA), existând, în

general, corespondenţa prezentată în tabelul 3.14. Există şi excepţii de la

această corespondenţă. Astfel, IF de capacitate mică, transportabile în stare

semimontată, pe remorcă sau autocamion, care au un MAM1, dispun de o

acţionare de tipul DH sau DH-M (de exemplu, F100-DH sau F125-DH-M).

Tabelul 3.14. Corespondenţa dintre tipul de acţionare (TA) şi modul de acţionare (MA)

Tipul de acţionare

(TA)

DEWL;

DEC;

DEA

DH; DH-M;

EHC EC; EA

DH + EHS;

DH-M + EHS;

EHC + EHS

Modul de acţionare

(MA) MAI MAC1; MAC2 MAI; MAM1 MAM2

Fig. 3.18. Schema structural-

funcţională a unei instalaţii de

foraj (IF) cu mod de acţionare individual (MAI), cu acţionare

DEWL: D – motor diesel; G – generator de

c.c.; Mc.c.c. – microcentrală de c.c.,

Mc.c.c. = Σ(D+ G ); SCRC – staţie

de comandă, reglare şi comutare;

M – motor de c.c.; tl –transmisie

cu lanţ; PN – pompă de noroi; TF –

troliu de foraj; TM – tobă de

manevră; M-G – maşină macara-

geamblac; CV SR – cutie de viteze

a sistemului de rotaţie; MR – masă

rotativă; Cs.A.F – consumatori

auxili-ari de forţă. (Exemple: F500-

DEWL, FM320-3DEWL.)

Modul de acţionare

(MA) a unei IF înseamnă

felul în care sunt acţionate

cele trei antoare principale:

separat, în comun sau unul individual şi celelalte două în comun. Astfel, se

disting următoarele moduri de acţionare (MA):

– MA individual (MAI);

130

– MA centralizat (MAC);

– MA mixt (MAM).

Modul de acţionare individual (MAI) este acel mod în care fiecare

antor principal este acţionat separat/ individual de către un motor/grup de

acţionare (GA) sau mai multe motoare sau GA (vezi figurile 3.18 şi 3.19).

IF cu MAI sunt acţionate cu motoare de c.c., şi anume dispun de acţionări

de tipurile: DEWL, DEC şi EC (vezi tabelul 3.14).

În fig. 3.18 se arată schema structural-funcţională a unei IF cu mod

de acţionare individual (MAI), cu acţionare DEWL, iar în fig. 3.19 este

evidenţiată schema structural-funcţională a unei IF cu mod de acţionare

individual (MAI), cu acţionare DEC.

Fig. 3.19. Schema structural-funcţională a unei instalaţii de foraj cu mod de acţionare

individual (MAI), cu acţionare DEC: D – motor diesel; G – generator de c.a.; Mc.c.a. – microcentrală de c.a., Mc.c.a. = Σ(D+G~); B

660V – bară comună de alimentare cu c.a. de 660V; SACR – staţie de acţionare, comandă şi

redresare; SACR = ΣMCRT; MCRT – modul de comandă şi redresare cu tiristoare; CRC –

compartiment de reglare şi comutare; M – motor de c.c.; tl – transmisie cu lanţ; PN – pompă de

noroi; TF – troliu de foraj; TM – tobă de manevră; M-G – maşină macara-geamblac; CV SR – cutie

de viteze a sistemului de rotaţie; MR – masă rotativă; TRAFO 660-400 V~ – transformator electric,

coborâtor de tensiune de la 660 V~ la 400 V~; Cs.A.F – consumatori auxiliari de forţă. (Exemple:

F320-DEC, F400-DEC.)

Se pot exemplifica următoarele tipuri de IF de construcţie

românească, care dispun de o structură funcţională impusă de MAI: F500-

DEWL, FM320-3DEWL, F400-EC/DEC, F320-EC/DEC.

131

Fig. 3.20. Schema structural-funcţională a unei

instalaţii de foraj (IF) cu mod de acţionare

centralizat, în varianta 1 (MAC1), cu acţionare DH: D – motor diesel; CHC – convertizor hidraulic de cuplu;

TI – transmisia intermediară (intermediara centrală a IF);

tm – transmisie mecanică/ transmisii mecanice; PN –

pompă de noroi; C – compresor; TF – troliu de foraj; CV

SM – cutie de viteze a sistemului de manevră; TM – tobă

de manevră; M-G – maşină macara-geamblac; CV SR –

cutie de viteze a sistemului de rotaţie; MR – masă rotativă

. (Ex.: F125-2DH, F200-2DH-3, F200-3EHC-4.)

Fig. 3.21. Schema structural-funcţională a

unei instalaţii de foraj (IF) cu mod de

acţionare centralizat, în varianta (MAC2),

cu acţionare DH: GF (D) – grup de foraj (motor diesel); CHC –

convertizor hidraulic de cuplu; TI 1–

transmisia intermediară a IF (intermediara

centrală a IF); tm – transmisie mecanică/

transmisii mecanice; PN pompă de noroi; C –

compresor; TF – troliu de foraj; CV SM –

cutie de viteze a sistemului de manevră; TM –

tobă de manevră; M-G – maşină macara-

geamblac; CV SR – cutie de viteze a

sistemului de rotaţie; MR – masă rotativă;

GMP – grup moto-pompă; TI 2 – transmisia

intermediară a GMP. (Ex.: F200-2DH-7,

F320-3DH, F400-4DH, F400-5DH, F500-

4DH.)

Modul de acţionare

centralizat (MAC) reprezintă

modul în care antoarele principale

sunt acţionate de la aceleaşi GA, adică este modul cu acţionarea în comun a

antoarelor principale.

Se disting variantele:

– MAC 1 (vezi fig. 3.20), care se caracterizează prin faptul că toate

antoarele principale, inclusiv ambele pompe de noroi (PN), dacă

132

IF dispune de două astfel de pompe, au aceleaşi GA (în afară de

pompa auxiliară, care intră în alcătuirea unui grup motopompă);

– MAC 2 (vezi fig. 3.21), în care o PN (din cele două) este

acţionată separat, formând împreună cu GA şi transmisiile

mecanice respective un grup motopompă (GMP) sau

electropompă (GEP), după cum TA este DH, respectiv DH-M,

sau EHC.

Fig. 3.22. Schema structural-funcţională a unei instalaţii de foraj (IF) cu mod de acţionare

mixt, în varianta 1 (MAM1), cu acţionare EC: TRAFO 20kV~ - 0,66 kV~ – transformator electric, coborâtor de tensiune de la 660 V~ la 400 V~;

B660V – bară comună de alimentare cu c.a. de 660V; SACR – staţie de acţionare, comandă şi

redresare; MCRT – modul de comandă şi redresare cu tiristoare; CRC – compartiment de reglare şi

comutare; M – motor de c.c.; tl – ransmisie cu lanţ; PN – pompă de noroi; TI – transmisie

intermediară pentru SM; TF – troliu de foraj; CV SM – cutie de viteze a SM; TM – tobă de manevră;

M-G – maşină macara-geamblac; MR – masă rotativă; GE – grup electrogen; D – motor diesel; G

400 V~ – generator de c.a. de 400 V~; TRAFO 660-400 V~ – transformator electric, coborâtor de

tensiune de la 660 V~ la 400 V~; Cs.A.F – consumatori auxiliari de forţă. (Exemplu: F200-EC.)

IF cu MAC au acţionări de tipurile DH, DH-M şi EHC (vezi tabelul

3.14). În figurile 3.20 şi 3.21 sunt reprezentate schemele structural-

funcţionale ale IF cu MAC1 şi, respectiv, cu MAC2.

Următoarele IF de construcţie românească au o structură funcţională

determinată de MAC: F125-2DH, F200-2DH-3, F200-3EHC-4 (cu MAC1),

F200-2DH-7, F320-3DH, F400-4DH, F400-5DH, F500-4DH (cu MAC2).

133

Fig. 3.23. Schema structural-funcţională a

unei instalaţii de foraj cu mod de acţionare mixt, în varianta 2 (MAM2), cu acţionare

DH şi EHs: GF (D) – grup de foraj (motor diesel); CHC –

convertizor hidraulic de cuplu; TI – transmisia

intermediară (intermediara centrală a IF); tm –

transmisie mecanică; PN – pompă de noroi; TF

– troliu de foraj; CV SM – cutie de viteze a

sistemului de manevră; TM – tobă de manevră;

M-G – maşină macara-geamblac; M(As) ~ –

motor electric de c.a. asincron; GHs – generator

hidrostatic (cu capacitate variabilă); MHs –

motor hidrostatic (cu capacitate fixă); MR –

masă rotativă. (Exemple: F320-3DH-M,

FM400-4DH.)

Modul de acţionare mixt

(MAM) este acel mod în care un

antor principal este acţionat separat

iar celelalte două sunt acţionate în

comun/grup sau centralizat. Există

variantele:

– MAM 1, în situaţia în care ambele

PN sunt acţionate individual (vezi

fig. 3.22);

– MAM 2, în cazul în care masa

rotativă (MR) este acţionată separat

iar toba de manevră (TM)-maşina macara-geamblac (M-G) şi ambele PN

sunt acţionate în comun (vezi fig. 3.23).

IF cu MAM sunt acţionate EC, DH, DH-M sau EHC şi EHs (vezi

tabelul 3.11). Figurile 3.22 şi 3.23 pun în evidenţă structurile funcţionale ale

IF cu cele două variante de moduri de acţionare mixte (MAM1 şi MAM2).

Ca exemple de IF de construcţie românească cu astfel de moduri de

acţionare se amintesc: F200-EC (cu MAM1), F320-3DH/EHC-M, FM400-

4DH (cu MAM2).

3.9. Puterea instalată

Puterea instalată a IF (P ) reprezintă puterea motoarelor utilizate

pentru acţionarea antoarelor principale, a celor auxiliare şi pentru acţionarea

celorlalte utilaje şi instalaţii folosite pentru executarea diverselor operaţii

auxiliare. Această putere se calculează cu relaţia următoare:

P = P + PCs.A.F, (3.57)

unde P este puterea instalată principală, adică puterea motoarelor ce

acţionează antoarele principale ale IF iar PCs.A.F – puterea consumatorilor

auxiliari de forţă, adică puterea motoarelor instalate pentru acţionarea

acestor consumatori.

Această a doua putere este o putere suplimentară/ auxiliară pentru

efectuarea altor operaţii, diferite de cele considerate principale (de rotaţie a

sapei, de circulaţie a fluidului de foraj şi de ridicare a Gar.F), şi, de

asemenea, pentru asigurarea unor servicii de altă natură decât cele care sunt

134

legate în mod direct de aplicarea tehnologiei de construire a sondei. În

tabelul 3.15 se prezintă consumatorii auxiliari de forţă utilizaţi în cadrul IF

de tipul F580-DEC şi puterea lor, ţinând cont de numărul de consumatori de

acelaşi tip şi de puterea motorului respectiv de acţionare.

Tabelul 3.15. Consumatorii auxiliari de forţă utilizaţi în cadrul IF de tipul F580-DEC

şi puterea lor [3.9]

Nr.

crt.

Consumatorul auxiliar de forţă

(Cs.A.F)

Puterea

motorului sau

rezistenţei, kW

Nr. de

motoare

Puterea

totală,

kW

1 Site vibratoare 4 3 12

2 Agitatoare habă 7,5 15 112,5

3 Pompă de apă 7,5 2 15

4 Pompă de apă pentru răcirea

tamburilor frânei cu bandă (T.FB) 7,5 1 7,5

5 Pompă de apă pentru răcirea

frânei electromagnetice (FE) 7,5 1 7,5

6

Pompe pentru instalaţia de amestec

al substanţelor chimice (pentru tratarea

fluidului de foraj)

3 2 6

7 Pompe pentru combustibil 3 2 6

8 Pompe de ulei 1,5 1 1,5

9 Pompe de preparare a fluidului de foraj 75 2 150

10 Pompă pentru bateria de denisipare 55 1 55

11 Pompă pentru bateria de demâluire 55 1 55

12 Instalaţie de degazare 4 1 4

13 Degazor 30 1 30

14 Electrocompresor 55 3 185

15 Instalaţie de preparare centrifugă 22 3 66

16 Instalaţie de transport material pulverulent 4 1 4

17 Dispozitiv de salvare a Gar.F 22 1 22

18 Dispozitiv de strâns-slăbit îmbinări filetate 11 1 11

19 Dispozitiv de manevră a prăjinilor grele 7,5 1 7,5

20 Dispozitiv de mecanizare 18,5 1 18,5

21 Frână electromagnetică (FE) 15 1 15

22 Pod de tubare reglabil 5 1 5

23 Instalaţie de comandă a prevenitoarelor 11 1 11

24 Instalaţie de uscare a aerului 15 1 15

25 Instalaţie de iluminat normal 18 – 18

26 Instalaţie de iluminat de siguranţă 0,6 – 0,6

27 Ventilatoare centrifuge (ale motoarelor de c.c.) 11 9 99

Deci, astfel de consumatori auxiliari de forţă pot fi, de exemplu,

sitele vibratoare (SV), agitatoarele de noroi (Ag), denisipatoarele (Denisip),

demâluitoarele (Demâl), degazoarele (Degaz), pompele instalaţiei de

amestec al diferitelor materiale chimice, pompele de preparare a fluidului de

foraj etc., din cadrul instalaţiei de curăţire, preparare, tratare şi depozitare a

noroiului de foraj (ICPTDNF), pompele centrifuge (PC) de supraalimentare

a pompelor de noroi triplex (3PN), alte pompe centrifuge folosite pentru

vehicularea apei pentru răcirea frânei electromagnetice (în situaţia în care IF

este echipată cu un astfel de tip de frână auxiliară), a tamburilor frânei cu

bandă, electrocompresorul (în cazul IF cu acţionare electrică), dispozitivele

de salvare a Gar.F, de strângere-slăbire a îmbinărilor filetate ale materialului

tubular, de manevră a prăjinilor grele, de deplasare a podului reglabil de

135

tubare, instalaţia de comandă a prevenitoarelor de erupţie, instalaţia de

uscare a aerului folosit pentru acţionarea şi comanda pneumatică a

cuplajelor etc.

Bineînţeles că puterea instalată principală (P) este mult mai mare

decât puterea consumatorilor auxiliari de forţă (PCS.A.F) şi, de aceea, ne vom

concentra atenţia numai asupra lui P. În tabelul 3.16 se prezintă (cf. [3.6]),

în funcţie de sarcina de la cârlig, respectiv intervalul de adâncime, măsura

lui P şi măsurile puterilor sistemului de manevră (PSM) şi sistemului de

circulaţie (PSC), folosind datele oferite de [3.13] şi cele care corespund

instalaţiilor de foraj construite în România până în momentul de faţă. Se

remarcă faptul că puterea de circulaţie este puterea cea mai importantă

dintre puterile sistemelor de lucru principale.

Tabelul 3.16. Puterea instalată principală (P) şi puterile sistemelor de manevră (PSM) şi de

circulaţie (PSC) în funcţie de adâncimea de foraj ([3.4], [3.7])

Nr.

crt.

Intervalul de

adâncime, m

Sarcina de la

cârlig, kN PSM, kW PSC., kW P, kW PSM/PSC

1 [900; 3000] [1100; 1600] [300; 655] [750; 1100] [1100; 1850] [0,40; 0,60]

2 [2500; 4000] 2000 [655; 700] [1100; 1700] [1850; 3400] [0,41; 0,60]

3 [4000; 6000] 3200 [1100; 1700] [1750; 3400] [1970; 5100] [0,50; 0,63]

4 [6000; 9000] [4000; 6000] [1700; 1970] [2600; 3400] [3900; 5950] [0,58; 0,65]

În general, puterea principală este dependentă de sarcina nominală a

IF, considerată ca sarcină maximă utilă la cârlig ( 'F M ), de tipul acţionării

(TA), modul de acţionare (MA) şi de parametrii hidraulici care trebuie

realizaţi în timpul construirii unei sonde date şi care impun alegerea tipo-

dimensiunii şi numărului de pompe de noroi (TPN):

TPN MA, TA, ,'F MfP .

Actualmente, în funcţie de necesităţi, forajul se poate realiza prin

antrenarea sapei cu MR sau cap hidraulic-motor (CH-M), prin intermediul

garniturii de foraj (Gar.F) sau direct, cu motor hidraulic de adâncime

(MHAd) sau motor electric de adâncime (MEAd). Considerând operaţiile

care se efectuează cu antoarele principale (AnP), aplicând tehnologia de

foraj rotativ-hidraulică, se poate deduce puterea principală pentru IF cu un

anumit MA, ca putere maximă rezultată din cele patru cazuri de antrenare a

sapei precizate mai sus, exprimată prin relaţiile următoare [3.4]:

SMSRMHAdSCMAI PPPP ; (3.58)

SRSCMAC PP 1 ; (3.59)

2122 ;max SCSRSCSCSMMAC PPPPP ; (3.60)

SMMHAdSCMAM PPP 1 ; (3.61)

SRMHAdSCMAM PPP 2 , (3.62)

în care PMAI, PMAC1, PMAC2, PMAM1 şi PMAM2 reprezintă puterea instalată

principală a IF cu MAI, MAC1, MAC2, MAM1, şi, respectiv, MAM2;

PSC(MHAd) – puterea sistemului de circulaţie înzestrat cu MHAd; P(SC+SR) –

puterea motoarelor instalate pentru a face faţă, împreună, acţionării

pompelor de noroi (PN) şi mesei rotative (MR), în timpul forajului; PSC2 –

136

puterea sistemului de circulaţie 2 (SC2), adică puterea motoarelor instalate

pentru acţionarea celei de-a doua pompe de noroi (PN2), din cadrul grupului

moto-pompă (GMP) sau electro-pompă (GEP); P(SC1+SR) – puterea

motoarelor instalate pentru acţionarea primei pompe de noroi (PN1), de la

transmisia intermediară 1 (TI1), şi a MR, în timpul forajului. În privinţa

relaţiei (3.60), maximum este determinat fie de măsura sarcinii nominale a

IF, fie de măsura maximă a puterii hidraulice necesare în timpul forajului,

luată în seamă prin tipul de PN care echipează IF, având în vedere faptul că

existenţa GMP sau GEP, cu puterea lui (PGMP PSC2 sau PGEP PAC2) este

impusă de condiţiile forajului de mare şi foarte mare adâncime.

Din comparaţia relaţiilor de mai sus, rezultă şirul de inegalităţi [3.4]:

1221 MACMACMAMMAMMAI PPPPP , (3.63)

care plasează IF cu MAC1 în topul celor cu puterea instalată cea mai mică,

în situaţia în care se confruntă IF de aceeaşi capacitate şi se ia în

consideraţie, atunci când este cazul, puterea de acţionare a ambelor PN,

adică

21 SCSCSC PPP . (3.64)

Rezultă, în acest fel, un dezavantaj al IF cu MAI, adică puterea

instalată este cea mai mare, în comparaţie cu IF cu MAC care au puterea

instalată cea mai mică. Puterea instalată cea mai mică a IF cu MAC este

determinată de cerinţa simultaneităţii operaţiilor de circulaţie şi de rotaţie

necesare în timpul forajului.

Considerând datele din tabelul 3.16, rezultă că raportul PSM/PSC,

pentru IF care forează la adâncimea cu măsuri cuprinse între 900 m şi

9000m, este inclus în domeniul

0,65 ,40;0SC

SM

P

P. (3.65)

Deoarece se poate accepta (cf. [3.9]) pentru raportul PSR/PSC domeniul de

valori

0,33 ,25;0SC

SR

P

P, (3.66)

se obţine

1,33 ,25;1

SC

SRSC

P

PP. (3.67)

Comparând relaţiile (3.67) şi (3.65), se constată că puterea necesară pentru

realizarea circulaţiei fluidului de foraj şi pentru antrenarea sapei, în timpul

forajului, este mai mare decât puterea necesară pentru manevră, adică

SMSRSC PPP . (3.68)

De asemenea, fiind valabile expresiile (3.58) şi (3.59), scrise sub formele

SMSRSCMAI PPPP (3.69)

şi, respectiv,

SRSCMAC PPP 1 , (3.70)

137

pentru datele de mai sus, rezultă că puterea instalată a IF cu MAI satisface

relaţia

SCMAI PP 1,98 ,65;1 (3.71)

iar puterea instalată a IF cu MAC1 îndeplineşte condiţia

SCMAC PP 1,33 ,25;11 . (3.72)

Din raportul acestor ultime două relaţii, se deduce

11,49 ,32;1 MACMAI PP , (3.73)

adică, în condiţiile precizate mai sus, PMAI este cu circa 30 % ÷ 50 % mai

mare decât PMAC1.

În conformitate cu [3.9], se consideră următoarele domenii de valori

pentru rapoartele PSM/PSC şi PSR/PSC:

1,00 ,75;0SC

SM

P

P, 0,33 ,25;0

SC

SR

P

P, (3.74)

pentru care rezultă

SCMAI PP 2,33 2,00; , SCMAC PP 1,33 ,25;11 (3.75)

şi, ca urmare,

11,75 ,60;1 MACMAI PP , (3.76)

ceea ce pune în evidenţă o putere instalată a IF cu MAI mai mare decât a IF

cu MAC1 cu circa 60 până la 75 %.

Şirul de inegalităţi (3.63) este îndeplinit cu atât mai mult, cu cât,

existând un număr redus de tipodimensiuni de motoare cu care se pot echipa

IF, alegerea lor se face, de obicei, asigurând un surplus de putere faţă de

ceea ce este necesar, lucru care se întâlneşte mai ales la IF cu MAI şi MAM,

deşi în cazul IF cu MAC se include şi un grup de acţionare (GA) de tipul

DH sau DH-M de rezervă. De exemplu, dacă se consideră toate variantele

de IF de tipul F320 din punctul de vedere al MA şi dacă se admite că PMAI =

100 %, atunci calculele demonstrează existenţa inegalităţilor (3.63), şi

anume :

PMAC1=33 %·PMAI ; PMAC2=55 %·PMAI ; PMAM2=58 %·PMAI ; PMAM1=86%·PMAI

.

Rezultă că simultaneitatea funcţiunilor de rotaţie şi de circulaţie din

timpul forajului şi apropierea dintre necesarul de putere pentru SM şi SC

impun alegerea MAC1. Necesarul de putere mare pentru circulaţie, în

comparaţie cu celelalte funcţiuni (de manevră şi, mai ales, de rotaţie),

determină o putere principală mare pentru IF cu MAM1. În sfârşit, faptul că

PSM are măsuri apropiate de cele ale lui PSC şi că operaţia de rotaţie necesită

puteri foarte mici face atractiv MAM2, mai ales în condiţiile, de altfel, la

modă astăzi, ale antrenării Gar.F cu CH-M („top drive”) sau ale forajului

direcţional şi orizontal (pentru care se folosesc motoarele de adâncime) şi

ale introducerii şi utilizării motoarelor de curent alternativ cu convertoare

statice de frecvenţă [3.13].

Totuşi, din cauza fiabilităţii reduse a motoarelor diesel (D) fabricate

în ţară şi datorită avantajelor pe care le prezintă acţionarea de tipul EC faţă

de acţionările cu motoare D (nivel de zgomot mai redus, lipsa eşapării,

randament al sistemului de lucru mai ridicat şi cost substanţial mai mic),

138

deja din ultimul deceniu al secolului trecut s-a preferat MAM1 prin

înlocuirea grupurilor de acţionare (GA) de tipul DH (de la IF construite

iniţial cu astfel de grupuri) cu motoare electrice de curent continuu (ME c.c)

alimentate de la reţeaua electrică de forţă de utilitate publică, prin

intermediul staţiilor de redresare.

Odată cu creşterea adâncimii de foraj a crescut foarte mult puterea

instalată principală a IF, în cadrul căreia ponderea cea mai mare o are

puterea de circulaţie (PSC), urmată de puterea de manevră (PSM), cu 40 %

până la 75 % (78 %) din PSC. De asemenea, s-a diversificat tipul acţionării

(TA), care determină modul de acţionare (MA). Ca urmare, MA

influenţează puterea instalată principală a IF şi gradul de utilizare a acesteia

în timpul construcţiei sondei, având în vedere existenţa unui număr limitat

de tipodimensiuni de motoare construite special pentru condiţii de foraj. Din

practica proiectării şi exploatării IF au rezultat şi alţi factori care îşi

manifestă influenţa asupra gradului de utilizare a acestei puteri importante.

3.10. Rezumat

Capitolul 3 reprezintă o privire de ansamblu asupra instalaţiei de

foraj (IF). Astfel, acest capitol se concentrează pe structura funcţională a IF

şi mărimile caracteristice ale acesteia. În primul rând, se face o clasificare a

instalaţiilor de foraj, pe baza mai multor criterii. Apoi, se prezintă

componenţa IF, pe sisteme de lucru şi, în cadrul fiecărui sistem, se prezintă

utilajele principale, se arată modul de transmitere a fluxului energetic în

cadrul sistemelor de lucru principale şi se pun în evidenţă funcţiile acestor

sisteme. Se tratează sistemul/agregatul de lucru (S/AL), se precizează rolul

funcţional al elementelor din componenţa lui şi se deduc cerinţele structural-

funcţionale ale SL, pentru utilizarea eficientă a puterii de acţionare. În

continuare, se prezintă mărimile fizice proprii, parametrii şi caracteristicile

IF şi ale utilajelor componente şi se studiază sarcina/forţa nominală a

instalaţiei. De asemenea, se prezintă tipurile de grupuri de acţionare (GA) şi

componenţa lor şi structura funcţională a IF, pentru cele trei moduri de

acţionare (MA). Pe baza acestei discuţii, se determină, mai departe, puterea

instalată a IF, punându-se în evidenţă componentele ei: puterea instalată

principală şi puterea consumatorilor auxiliari de forţă. Se studiază şi se

analizează puterea instalată principală corespunzătoare celor trei MA, şi se

arată necesarul de putere pentru fiecare sistem de lucru principal.

3.11. Aplicaţii

Aplicaţia 3.1. (A.3.1) Fluxul energetic al sistemului de circulaţie,

reprezentat de un grup motopompă (GMP), de la o IF cu acţionare DH se

caracterizează prin puterile, exprimate procentual, concentrate în tabelul

A.3.1.1. A) Să se reprezinte schema acestui sistem şi, de asemenea, schema-

bloc a lui, precizând toate notaţiile, şi să se completeze tabelul A.3.1.1,

exprimând relaţiile de calcul respective! B) Să se comenteze rezultatele

obţinute!

139

Tabelul A.3.1.1

SC/GMP(DH)

PP, % 100,0 Pd.D, % 66

PD, % 34,0 ηD 0,34

PI, % 33,8 Pd.a.cd, % 0,2

PII, % 26,8 ηa.cd 0,994

Pa.PN, % 26,0 Pd.CHC, % 7

Pu.SC(DH), % 20,2 ηCHC 0,793

– Pd.Σtm, % 0,8

– ηΣtm 0,97

– Pd.PN, % 5,9

– ηPN 0,77

– Pd.SC(DH), % 79,9

– ηSC(DH) 0,202

Rezolvare

A) În fig. A.3.1.1 se arată schema GMP iar în fig. A.3.1.2 se

reprezintă schema-bloc a acestuia, cu precizarea fluxului energetic.

Fig. A.3.1.1. Schema grupului motopompă (GMP) de la o IF cu acţionare DH

GMP constă din două grupuri de acţionare diesel-hidraulică (DH) şi

o pompă de noroi (PN2), care este antrenată prin intermediul unei transmisii

cu lanţ (tl). Este vorba despre a doua PN, prima (PN1) fiind antrenată de la

grupurile de acţionare comune, de unde se acţionează şi troliul de foraj (TF),

ca şi masa rotativă (MR). Se consideră că funcţionează numai grupul 5,

adică motorul diesel D5 şi convertizorul hidraulic de cuplu CHC 5.

Fig. A.3.1.2. Schema-bloc a GMP şi fluxul energetic respective: PP – puterea primară

(puterea combustibilului ars ); PD – puterea la arborele motorului diesel (D); PI – puterea

la arborele primar (I) al CHC; PII – puterea la arborele secundar al CHC; Pa.PN – puterea

la arbore de intrare/antrenare al PN; Ph – puterea hidraulică; Pu.AC(GMP) – puterea utilă a

A/SC, reprezentat de GMP; Pd – puterea disipată către mediul exterior; a.cd – arbore

cardanic, de legătură între arborele motorului D şi arborele I al CHC; r – rulmenţii pe care

se montează arborele la care este cuplat grupul 5; tl – transmisie cu lanţ

Puterile disipate către mediul ambient se calculează cu relaţiile de

forma (3.26) şi (3.27) iar randamentul cu relaţia sa de definiţie şi rezultă

valorile concentrate în tabelul A.3.1.1, în coloana a doua.

B) Se constată că pierderea cea mai mare de putere (de 66 %) are loc

în motorul D, la transformarea energiei calorice a combustibilului în putere

mecanică de rotaţie, obţinută la arborele său, şi, ca urmare, randamentul

140

motorului D este foarte mic, de 0,34. CHC funcţionează cu un randament de

0,793, care se află în apropierea randamentului minim admisibil, de 0,80,

considerat pentru funcţionarea în regim continuu, caracteristic sistemului de

circulaţie. PN are un randament (de 0,77) care se încadrează în domeniul

valorilor acceptate, considerând o anumită uzură a elementelor pompei,

după un timp de funcţionare. Puterea totală disipată din GMP este foarte

mare, de aproape 80 % (din cauza pierderilor din motorul D), aşa încât

randamentul total al GMP este foarte mic, de aproximativ 20 %; deci, din

puterea primară a GMP, numai circa 20 % se regăseşte sub formă de putere

utilă, adică putere hidraulică a fluidului de foraj pompat de PN.

Aplicaţia 3.2. (A.3.2) Să se aleagă tipul de IF capabilă să

construiască o sondă caracterizată prin: GCI(I) = 1523,203 kN; GCI(II) =

1659,278 kN; GCE = 880,786 kN! Garnitura de foraj folosită pentru forajul

puţului de exploatare se consideră că este cea mai grea. În cadrul garniturii,

ansamblul de prăjini grele (An.PG) este format din PG, cu DPG = 6" = 152,4

mm; DPG.i = 71,5 mm; m1.PG = 111,5 kg/m; qPG = 1,094 kN/m; LAn.PG = 144

m, şi ansamblul superior (An.S) are în componenţă prăjini de foraj (PF)

confecţionate din oţel grad E-75, cu IEU ≡ IEI, DPF = 4½ in = 114,3 mm,

sPF = 10,92 mm, m1.PF = 33 kg/m şi LAn.S = 3 861 m.

Rezolvare

Din datele iniţiale, rezultă cea mai grea CB:

CECICIMCB GGGG , ,max III.

,

adică

GCB.M = max{1 523,203 kN, 1 0659,278 kN, 880,786 kN} = 1 659,278 kN =

GCI(II).

Se determină greutatea An.PG cu expresia:

PGAnPGPGAn LqG..

şi se obţine

kN 157,536m 144kN/m ,0941 PGAnG.

.

Se calculează greutatea unitară a PF, folosind formula:

gmq PFPF .1 .

Astfel, rezultă:

N/m ,73323m/s ,819kg/m 33 2 PFq .

Se calculează greutatea An.S cu expresia:

SAnPFSAn LqG..

şi rezultă

kN 1249,922N 10249,922 1m 10,8613N/m 323,73 33 SAnG.

.

Greutatea Gar.F se obţine însumând greutatea An.PG şi greutatea

An.S:

SAnPGAnFGar GGG...

.

Se obţine:

kN 407,458 1kN 249,922 1kN ,536157 FGarG.

.

141

Se consideră că cea mai grea Gar.F este garnitura utilizată pentru

forajul puţului de exploatare. Deci,

kN 407,458 1MFGarG..

.

Alegerea IF se face pe baza sarcinii nominale de la cârlig şi a tipului

de acţionare. Instalaţiile de foraj construite în România se nominalizează

după sarcina maximă utilă. Această sarcină poate fi determinată fie de ℱ′M.T

, fie de ℱ′M.D .

ℱ′M.T se calculează cu relaţia (3.52), în care coeficientul M

fmk.

se

determină cu formula (3.47) iar coeficientul kDi.j cu expresia (3.48).

Pentru CI(II), de 8⅝", avem: DCI(II) = 8⅝" = 219,08 mm, nt.CI(II) = 5,

sB.j {10,16; 10,16; 10,16; 11,43; 12,70}·mm, Di.B.j {198,76; 198,76;

198,76; 196,22; 193,68}·mm, kDi.j {0,9072; 0,9072; 0,9072; 0,8957;

0,8841}, lj {690; 785; 425; 810; 290}·m, LCI(II) = HCI(II) = 3000 m, ρf =

1,25 t/m3. Se admite sf.a = 0,653 mm. Cu aceste date rezultă:

m 559,758

m 2900,88411m 810,895701m425785690,907201

1

222

5

1

2

jj

jDi lk .

şi

7044,01758,559

000 3

,08219

,653041

,857

,251

M

fmk.

.

Se admite ,20M

rk şi 2m/s 1M

Ca şi se obţine:

kN 359,196281,9

17044,012,01

85,7

25,11kN 278,1659

'

.F TM .

ℱ′M.D se determină cu expresia (3.53). Astfel, se admite FD.M = 600

kN şi rezultă

kN 517,1738kN 60085,7

5,11kN 458,1407

'

.F DM .

Conform rezultatelor de mai sus, se obţine

tf200 tf37,0200

tf81,9

359,1962kN 359,1962kN 517,1738 kN; 359,1962max

'F M

Ca urmare, se poate alege o IF transportabilă pe cale terestră, pe

subansamble (SAn), din clasa F200. Tipul acţionării se alege în funcţie de

posibilitatea de alimentare cu energie electrică a IF în zona de amplasare, de

instalaţiile aflate în dotarea firmei de foraj şi de costul comparativ al

combustibilului şi al energiei electrice din perioada când o să lucreze

instalaţia, în situaţia în care compania dispune de instalaţii cu acţionări

neautonome şi autonome. Se admite că situaţia din zona de amplasament a

IF impune o acţionare de tipul DH. Având în vedere acest lucru, rezultă că

se poate alege o IF de tipul F200-2DH.

142


1) Care sunt sistemele de lucru principale ale IF?

a) SM, SMs, SR, SC; b) SM, SC, STL, SMs; c) SC, SR, SM.

2) Să se prezinte componenţa sistemului de rotaţie pe baza schemei

structurale şi de principiu a unei IF cu MAC, urmărind fluxul energetic

respectiv!

a) GA, TI, tm, TF, tm, CV A/SR, Tm, MR, PM, Pm (An.Ro), PA, Gar.F, S;

b) MR, PM, Pm (An.Ro), CH; c) CV A/SR, tm, MR, PA, CH, Gar.F.

3) Care este componenţa sistemului de circulaţie (SC) şi a traseului hidraulic

al fluidului de foraj (THFF), folosind schema structurală şi de principiu a

unei IF cu MAC?

a) SC: GA, tm, PN; THFF: FR, Cl, CR, Înc., FN, CH, interiorul Gar.F, S,

spaţiul inelar dintre peretele puţului şi, respectiv, al CB, şi Gar.F; b) SC:

CA, PN, FR, Cl, CR, Înc., FN, CH, interiorul Gar.F, S, spaţiul inelar dintre

peretele puţului şi, respectiv, al CB, şi Gar.F; THFF: SV, Degaz., Denisip.,

Demâl., HC, H.Pr.-T, HA; c) SC: GA, TI, tm, PN, CA, FR, Cl, CR, Înc.,

FN.

4) Ce reprezintă PN pentru SC?

a) antor de tipul generator hidraulic (GH); b) antor (An) de tipul maşină de

lucru (ML).

5) Ce presupune satisfacerea celor două cerinţe funcţionale ale unui A/SL

dintr-o IF şi cum se poate obţine această calitate?

6) Cum trebuie să se aleagă o IF în funcţie de sonda care trebuie forată?

7) Când poate să apară sarcina normală utilă a IF?

a) la săltarea din broasca cu pene a coloanei de burlane (CB) celei mai grele;

b) la introducerea celei mai grele CB; c) la săltarea de pe talpa puţului a

celei mai grele Gar.F, după ce s-a terminat forajul; d) la coborârea celei mai

grele Gar.F.

8) Să se scrie componenţa GA de tipul EC!

9) Să se scrie componenţa GA de tipul DEC!

10) Daţi 5 exemple de consumatori auxiliari de forţă care să aparţină

instalaţiei de curăţire, preparare şi tratare a noroiului de foraj (ICPTNF)!

a) pompă de apă pentru răcirea troliului, agitatoare de habe, degazificator,

pompă de ulei, instalaţie de preparare centrifugă; b) pompă pentru bateria de

denisipare, site vibratoare, pompă de preparare a amestecului de chimicale,

agitatoare de habe, pompă pentru bateria de denisipare; c) pompă pentru

bateria de desmâluire, pompă de preparare a fluidului de foraj, degazificator,

instalaţie de preparare centrifugă, pompă de preparare a amestecului de

chimicale.

11) Scrieţi sistemele de lucru principale în ordinea descrescătoare a puterii

consumate (puterii instalate)!

a) SM, SC, SR; b) SR, SC, SM; c) SC, SM, SR; d) SR, SM, SC.

12) Care este cerinţa d.p.d.v. operaţional care determină ca puterea instalată

a IF cu MAC să fie cea mai mică, în comparaţie cu puterea instalată a IF cu

MAI şi MAM?

143


1) Fluxul energetic al SC, reprezentat de un grup electropompă, de la o IF cu

acţionare EC, se caracterizează prin puterile, exprimate procentual,

concentrate în tabelul 3.13.1.

Tabelul 3.13.1

SC/GEP (EC)

PP ≡ PRE, % 100,0 Pd.DEF+TRAFO,%

PTRAFO, % 95,5 ηDEF+TRAFO

PEC, % 93,0 Pd.C.B.SCRT, %

PM ≡ PII, % 85,0 ηC.B.SCRT

Pa.PN, % 82,5 Pd.M, %

Pu.AC(EC), % 67,6 ηM

– Pd.r,tl, %

– ηr,tl

– Pd.PN, %

– ηPN

– Pd.SC(EC), %

– ηSC(EC)

A) Să se reprezinte schema acestui sistem şi, de asemenea, schema-bloc a

lui, precizând toate notaţiile! B) Să se completeze tabelul 3.13.1! C) Să se

comenteze rezultatele obţinute!

2) Să se reprezinte doar sistemul de manevră (SM), în timpul extragerii

Gar.F, pe baza schemei structurale şi de principiu a unei IF cu MAC,

urmărind fluxul energetic respectiv! Să se indice componenţa acestui sistem

în ordinea transmiterii fluxului energetic!

3) A) Ce mod de acţionare are instalaţia F400-DEC, studiind schema

cinematică a ei? B) Să se reprezinte schema structural-funcţională a acestei

IF, precizând semnificaţia notaţiilor utilizate!

4) Să se aleagă tipul de IF cu acţionare DH, cunoscând: GCB.M = 285 tf,

GGar.F.M = 2 000 kN, ρf = 1,25 t/m3,

M

fmk.

= 0,78, FD.M = 60 tf. Să se justifice

această alegere şi să se facă toate precizările necesare!


1) c; 2) a; 3) a; 4) b; 5) o interconectare eficientă sau o adaptare

corespunzătoare a maşinilor (motoarelor, variatoarelor continue de viteze şi

antorului) şi a cutiilor de viteze în cadrul SL. Adaptarea corespunzătoare se

poate obţine: constructiv, printr-o alegere adecvată a elementelor

componente ale SL sau o proiectare a acestora care să aibă în vedere cele

două cerinţe; funcţional, dacă condiţia constructivă este îndeplinită, prin

comanda adecvată a maşinilor şi a cutiilor de viteze, cu ajutorul

echipamentelor de comandă şi de reglare; 6) alegerea IF cu SM

corespunzător sarcinii maxime estimate să apară în timpul construcţiei

sondei şi echiparea ei cu MR, CH şi PN, care să fie adaptate la programul de

tubare (respectiv la diametrul maxim de coloană care să fie introdusă prin

MR), la domeniul de debit de fluid de foraj, respective la debitul maxim, şi

la cel al presiunii de refulare a PN, respectiv la presiunea maximă; 7) c; 8)

144

EC = ΣTRAFO+B.(660 V~)+ΣSACR+CRC+Σ M ; 9) DEC = Mc. c.a.+

B.(660 V~)+ΣSACR+CRC+Σ M , cu Mc. c.a. = ΣGE c.a.; 10) b şi c; 11) c;

12) cerinţa simultaneităţii operaţiilor de circulaţie şi rotaţie necesare în

timpul forajului.

Bibliografie

3.1. Teel, Mark E., Slimhole: A „new” idea – again. World Oil, October 1993.

3.2. * Slimhole drilling potentials realized with new system. World Oil, March

1994.

3.3. Murray, P., Barriers to slimhole drilling. World Oil, March 1994.

3.4. Parepa, S., Puterea însumată a grupurilor de acţionare ale instalaţiilor de

foraj. Buletinul Universităii „Petrol-Gaze” din Ploieşti, Vol. XLVII, Nr. 6,

Ploieşti, 1998.

3.5. Parepa, S., Utilizarea eficientă a puterii de însumare a grupurilor de acţionare

DH şi DH-M de la instalaţiile de foraj. Buletinul Universităţii Petrol-Gaze

din Ploieşti, Vol. LVI, Seria Tehnică, Nr. 3, Ploieşti, 2004.

3.6. Parepa, S., Puterea instalată principală a instalaţiei de foraj şi factorii care o

influenţează. Buletinul Universităţii Petrol-Gaze din Ploieşti, Vol. LVI, Seria

Tehnică, Nr. 3, Ploieşti, 2004.

3.7. Parepa, S., Puterea disponibilă a instalaţiilor de foraj, transmiterea şi

utilizarea ei eficientă. Curs predat în cadrul Programului finanţat prin PHARE

– Coeziune economică şi socială, cu tema: „Ridicarea nivelului de pregătire

profesională a personalului din întreprinderile petroliere în contextul

restructurării industriale”, Universitatea „Petrol-Gaze” din Ploieşti şi

Universitatea „Valahia” din Târgovişte, 2003-2004.

3.8. Parepa, S., Modul de obţinere a treptelor de viteză în cadrul agregatului de

manevră al instaţiilor de foraj. Revista Română de Petrol, Serie Nouă, Vol. 8,

Nr. 4, Octombrie-Decembrie 2001, Institutul de Cercetări şi Proiectări

Tehnologice, Câmpina, Decembrie 2001.

3.9. Cristea, V., Grădişteanu, I., Peligrad, N., Instalaţii şi utilaje pentru forarea

sondelor. Editura Tehnică, Bucureşti, 1985.

3.10. Bublic, A., Cristea, V., Hirsch, I., Peligrad, N, Silion, Gh., Utilaj petrolier

pentru foraj şi extracţie. Editura tehnică, Bucureşti, 1968.

3.11. Chişiu, Al., Matieşan, D., Mădărăşan, T., Pop, D., Organe de maşini. Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.

3.12. Parepa, S., Studiul sistemului de rotire al instalaţiilor pentru forajul sondelor

de diametre mari. Teză de doctorat, Petroşani, 2007.

3.13. Gutsche, W., Noevig, T., Comparing rig power transmission systems. World

Oil, April, 1989.

3.14. Brantley, L., Major, T., Technology and Equipment Design for Global Shale

Markets. SPE 160098. SPE Annual Technical Conference and Exhibition,

San Antonio, Texas, USA, 8-10 October 2012.

3.15. Parepa, S., Utilaje şi scule specifice de foraj. În Modulul 3, „Utilaje, tehnici şi

tehnologii specifice privind forajul, completarea şi exploatarea sondelor

destinate formaţiunilor neconvenţionale de gaze”, din Raportul „Resurse de

gaze naturale din zăcăminte neconvenţionale – Potenţial şi valorificare”.

Comitetul Naţional Român (CNR) al Consiliului Mondial al Energiei,

Bucureşti, 2013.

3.16. * API RP 9B. Recommended Practice on Application, Care, and Use of

Wire Rope for Oilfield Service. American Petroleum Institute (API).

145

3.17. * API Specification 8A. Specification for Drilling and Production Hoisting

Equipment. American Petroleum Institute (API).

3.18. * API Specification 8C. Specification for Drilling and Production Hoisting

Equipment (PSL 1 and PSL 2). American Petroleum Institute (API).

3.19. * 3D Rig Animation. http://sig777.com/3d-rig-animation.

http://sig777.com/3d-rig-animation

146

CAPITOLUL 4

STUDIUL LANŢURILOR CINEMATICE ALE

SISTEMELOR DE LUCRU

4.1. Transmisiile mecanice utilizate în cadrul lanţurilor

cinematice

Studiul cinematicii sistemelor de lucru (SL) ale instalaţiei de foraj

(IF) înseamnă studiul transmiterii mişcării de la motoare la antoarele IF.

Transmiterea mişcării în cadrul unui SL se face cu ajutorul lanţului

cinematic (LC), care conţine transmisii mecanice (tm). Reprezentarea

grafică a LC, folosind diferitele simboluri convenţionale pentru elementele

componente se numeşte schema cinematică (Sch.C) a LC respectiv. Sch.C

arată modul cum se realizează legătura funcţională între motoarele de

acţionare şi maşinile antoare ale IF, respectiv organele de lucru (OL) ale

acestora, adică modul în care este dirijat fluxul energetic la aceste OL.

Deci, LC al unui SL realizează legătura funcţională, cinematică şi

energetică, în general, între motor/motoare sau grup/grupuri de acţionare

(GA) şi antor (An), respectiv OL. Această legătura funcţională este

reprezentată de mai multe transmisii mecanice, unele dintre ele formând

cutii de viteze. Ca urmare, LC este constituit din transmisii mecanice.

Transmisiile mecanice utilizate în cadrul LC ale SL ale IF sunt:

– transmisii cu/prin lanţuri (tl);

– transmisii cu roţi dinţate (trd) sau angrenaje (an), care pot fi

cilindrice (an.cil) sau conice (an.con);

– transmisii prin curele trapezoidale (tct);

– arbori cardanici (a.cd).

Transmisia mecanică (tm) realizează transferul energiei mecanice,

sub formă cinetică, de la arborele conducător la arborele condus, cu

transformarea mărimilor funcţionale/ de lucru.

Mărimile funcţionale/ de lucru ale unei tm sunt:

viteza unghiulară (ω), numită şi mărime cinematică sau

funcţională, directă;

momentul de rotaţie (M), numit şi mărime dinamică, de efort, de

sarcină sau funcţională, inversă;

raportul de transmitere (a mişcării de rotaţie) (ig.l);

raportul de transformare (a momentului de rotaţie) (kg.l);

randamentul (ηg.l).

În fig. 4.1 se prezintă schema bloc-funcţională, cvadripolară, a unei

tm. S-a considerat că tm respectivă este de ordinul (g.l), adică face parte din

grupa de transmitere de ordinul g a unui LC, transmisia fiind de ordinul l în

cadrul acestei grupe. Astfel, mişcarea se transmite de la arborele g al LC,

care este arborele conducător al tm, la arborele g+1 al LC, care reprezintă

arborele condus al acestei transmisii.

147

Fig. 4.1. Schema bloc-funcţională (cvadripolară) a unei transmisii mecanice (tm) de ordinul

l din grupa de transmitere de ordinul g:

ωg, ωg+1 – viteza unghiulară a arborelui de ordinul g (conducător), respectiv g+1 (condus);

Mg, Mg+1 – momentul de rotaţie de la arborele g, respectiv g+1; ig.l – raportul de transmitere;

kg.l – raportul de transformare (a momentului); ηg.l – randamentul tm de ordinul (g.l)

Transmiterea şi transformarea mărimilor funcţionale cinematice şi

dinamice (ω şi M) ale unei tm se caracterizează printr-un raport de

transmitere a mişcării de rotaţie, printr-un raport de transformare a

momentului de rotaţie şi printr-un randament al transmiterii energiei.

Raportul de transmitere al tm se defineşte ca raportul dintre viteza

unghiulară a mişcării de rotaţie a arborelui condus şi aceea a arborelui

conducător, adică

g

g

lgiω

ω 1

., (4.1)

iar raportul de transformare ca raportul dintre momentele de rotaţie ale

aceloraşi arbori, conform expresiei

g

g

lgM

Mk

1

.. (4.2)

Ca urmare, randamentul tm, ca raport dintre puterea utilă (de la arborele

condus) şi puterea consumată (de la arborele conducător),

g

g

lgP

P 1η

., (4.3)

are expresia următoare:

g

g

g

g

lgM

M

ω

ωη

11

. (4.4)

sau

lglglg ik...

η . (4.5)

Din relaţia (4.1) se deduce:

lggg i.

ωω 1 (4.6)

iar din (4.4), în care s-a folosit (4.1), rezultă:

lg

lgggi

MM.

.

1η1 . (4.7)

Relaţiile de mai sus, (4.6) şi (4.7), determină mărimile funcţionale,

de ieşire din tm (ωg+1 şi Mg+1), în funcţie de cele de intrare (ωg şi Mg), ţinând

cont de raportul de transmitere şi, respectiv, de randamentul transmisiei.

Pentru o tm, atât raportul de transmitere, cât şi raportul de

transformare sunt constante,

..

conti lg şi ..

constk lg , (4.8)

de unde rezultă că randamentul este, de asemenea, o constantă

148

..

constlg η (4.9)

În funcţie de valoarea raportului de transmitere, se definesc

următoarele tipuri de transmisii mecanice:

1) reducătoare, pentru care raportul de transmitere este subunitar,

1 lgi . (4.10)

şi, ca urmare, viteza unghiulară de ieşire este mai mică decât cea

de intrare,

gg ω ω 1 ; (4.11)

2) intermediare, care au raportul de transmitere unitar,

1 lgi . (4.12)

şi, deci, viteza unghiulară de ieşire este egală cu cea de intrare,

gg ω ω 1 ; (4.13)

3) multiplicatoare, pentru care raportul de transmitere este

supraunitar,

1 lgi . (4.14)

şi, în consecinţă, viteza unghiulară de ieşire este mai mare decât

cea de intrare,

gg ω ω 1 . (4.15)

Conform relaţiilor (4.5), (4.7) şi (4.9), se obţine pentru tipurile de

tm:

1) reducătoare,

1 lgk.

; gg MM 1 ; (4.16)

2) intermediare,

1 lgk.

; gg MM g.l1 η ; (4.17)

3) multiplicatoare,

1 lgk.

; gg MM 1 . (4.18)

În fig. 4.2 sunt reprezentate diferitele tipuri de tm, prin simbolurile

lor convenţionale, precizându-se şi mărimile caracteristice ale acestora.

Astfel, transmisia prin lanţ (tl) (vezi fig. 4.1.a) se caracterizează, în afară de

mărimile arătate anterior, şi prin următoarele: numerele de dinţi ale roţilor

de lanţ, 1

lgz. şi

2

lgz.

, diametrul de divizare al fiecărei roţi, i

lgdD..

(i = 1, 2),

distanţa dintre axele roţilor (arborilor), pasul lanţului, pg, şi numărul de

rânduri de zale ale lanţului, jg. În cazul transmisiei prin curele trapezoidale

(tct) (vezi fig. 4.1.b), celelalte mărimi caracteristice sunt: diametrul de

divizare al fiecărei roţi, distanţa dintre axele roţilor (arborilor) şi numărul de

curele trapezoidale, nc.(g.l). Angrenajul cilindric (an.cil) are ca mărimi

caracteristice, altele decât cele funcţionale, următoarele (vezi fig. 4.1.c):

numerele de dinţi ale roţilor, modulul dinţilor (mg.l), diametrul de divizare al

fiecărei roţi şi distanţa dintre axele roţilor (arborilor). Aceleaşi mărimi, cu

excepţia distanţei dintre axe, caracterizează şi angrenajul conic (an.con),

conform fig. 4.1.d. Arborele cardanic sincron (a.cd) (vezi fig. 4.1.e), numit

149

şi transmisie cardanică sincronă, deoarece viteza unghiulară de ieşire este

egală cu cea de intrare, se caracterizează prin:

1cdai . (4.19)

şi

cdagg MM.

η1 . (4.20)

a b

c d

e

Fig. 4.2. Simbolurile grafice convenţionale ale transmisiilor mecanice utilizate în cadrul

lanţurilor cinematice ale sistemelor de lucru ale instalaţiilor de foraj:

a – transmisie cu lanţ (tl); b – transmisie prin curele trapezoidale (tct); c – angrenaj cilindric

(an.cil); d – angrenaj conic (an.con); e – arbore cardanic sincron (a.cd); i

lgz.

– numărul de

dinţi ai roţii de ordinul i, i = 1, 2, (1 – roată conducătoare; 2 – roată condusă); i

lgdD

..–

diametrul de divizare al roţii de ordinul i; ig.l – raportul de transmitere; Ag – distanţa dintre

axele arborilor transmisiei din grupa de transmitere de ordinul g; jg – numărul de rânduri de

zale ale lanţului; pg – pasul lanţului; nc.(g.l) – numărul de curele ale transmisiei de ordinul

(g.l); mg.l – modulul dinţilor din angrenajul de ordinul (g.l).

Arborele cardanic sincron este numit şi cuplaj cardanic, deoarece

realizează legătura între doi arbori, în situaţia în care aceştia nu pot fi

montaţi colinear. În cadrul IF, arborii cardanici sincroni sunt utilizaţi pentru

cuplarea arborelui grupului de foraj (GF) cu arborele primar al

convertizorului hidraulic de cuplu (CHC), pentru transmiterea mişcării de

rotaţie de la transmisia intermediară (TI) a IF la arborele de antrenare al

pompei de noroi (PN) (pompa fiind montată pe o sanie separată faţă de

150

platforma grupurilor de acţionare şi a TI), pentru transmiterea mişcării de

rotaţie de la troliul de foraj (TF) la grupul de antrenare a mesei rotative

(GAMR), aflat sub platforma de lucru a IF, deasupra TF, la o anumită

înălţime, şi, de asemenea, pentru antrenarea mesei rotative (MR). Deci, cu

ajutorul arborilor cardanici se acoperă şi distanţele mai mari dintre diverşi

arbori între care trebuie să se transmită mişcarea de rotaţie.

Pentru orice tm, prevăzută cu roţi, trebuie să fie îndeplinită condiţia

de antrenare prin lanţ, prin curele sau prin dinţi:

21

lglg vv..

, (4.21)

unde ilgv., i = 1, 2, este viteza periferică a roţii de ordinul i, care este şi

viteza lanţului, în cazul tl, sau a curelelor, în cazul tct (vezi fig. 4.3). În

cazul angrenajului, egalitatea (4.21) reprezintă condiţia de angrenare (vezi

fig. 4.4). Deoarece viteza periferică se exprimă prin relaţia

2

ω dDv , (4.22)

din condiţia (4.21) se obţine

2

1

1

ω

ω

lgd

lgd

g

g

D

D

..

..

. (4.23)

Ca urmare, raportul de transmitere al transmisiei cu lanţ (tl), transmisiei

prin curele trapezoidale (tct), angrenajului cilindric (an.cil) sau

angrenajului conic (an.con) se poate determina cu formula:

2

1

lgd

lgd

lgD

Di

..

..

. . (4.24)

Fig. 4.3. Transmiterea mişcării de rotaţie în cadrul transmisiei

prin lanţ (tl) sau prin curele trapezoidale (tct): condiţia de

antrenare prin lanţ sau prin curele.

Pentru angrenaje, fiind valabilă relaţia următoare între diametrul de

divizare şi numărul de dinţi

zmDd , (4.25)

formula de calcul al raportului de transmitere, de mai sus, devine

2

1

lg

lg

lganlgz

zii

.

.

... . (4.26)

151

Fig. 4.4. Transmiterea mişcării de rotaţie în cadrul

angrenajului cilindric (an.cil): condiţia de angrenare

În cazul transmisiei prin lanţ (tl), diametrul de divizare depinde de

numărul de dinţi prin expresia (vezi subcap. 4.2):

z

πsin

pDd , (4.27)

ceea ce determină următoarea formulă pentru calculul raportului de

transmitere:

1

2

πsin

πsin

lg

lg

lgtllg

z

zii

.

.

... . (4.28)

Fig. 4.5. Cutia de viteze a instalaţiei F100-T, în cadrul căreia mişcarea de rotaţie se

transmite de la un grup de foraj de tipul GMT-430 (MB 836+CHC-650-5A) prin arborele

de intrare (din dreapta-jos), este schimbată direcţia la 90° prin intermediul unui angrenaj

conic, cu dinţi curbi, se transmite la arborele de ieşire (din ultimul plan) cu ajutorul a două

transmisii cu lanţ, cu două rânduri de zale, sau prin intermediul unui angrenaj cilindric, cu

dinţi drepţi, pentru schimbarea sensului de rotaţie a acestui arbore, iar de la acest arbore

mişcarea se transmite la arborele tobei de manevră, printr-o transmisie cu lanţ, din care

există doar roata conducătoare, cu trei rânduri de dinţi (de la capătul din stânga); pe

arborele intermediar, capătul din stânga, se montează, pe rulmenţi, o transmisie cu lanţ şi un

ambreiaj pneumatic de tipul AB 400×125 (care cuplează transmisia de arbore) pentru

transmiterea mişcării la o pompă de intervenţie 2PI-5×10 (duplex, cu diametrul maxim de

cămaşă de 5" şi lungimea cursei pistonului de 10")

152

Fig. 4.6. Vedere a angrenajului conic, cu dantură curbă, de la cutia de viteze a instalaţiei

F100-T

Precum se ştie, cu cât numărul de dinţi este mai mare, cu atât

argumentul funcţiei sinus este mai mic şi pentru argument mic această

funcţie se poate aproxima cu el, adică:

z

π

z

πsin . (4.29)

O astfel de aproximaţie se poate folosi, pentru calcule mai puţin precise,

pentru transmisiile cu lanţuri utilizate în cadrul SL ale IF, deoarece numărul

de dinţi ai roţilor de lanţ satisface condiţia

21 z , (4.30)

constatându-se că

0,150,1496,14959965021

π şi 0,15,1490,149042270

21

πsin .

Deci, numai pentru calcule aproximative raportul de transmitere al

tl se poate determina cu formula de forma (4.26), adică:

2

1

lg

lg

lgtllgz

zii

.

.

... . (4.31)

Fig. 4.7. Vedere a angrenajului cilindric cu dinţi drepţi şi a unei transmisii cu

lanţ de la cutia de viteze a instalaţiei de foraj şi de intervenţii de tipul F100-T

153

Fig. 4.8. Transmiterea mişcării de rotaţie de la transmisia cu lanţ (din partea stângă a

fotografiei) de ieşire din troliul de foraj (de tipul TF20) de la instalaţia F200-2DH la

grupul de antrenare a mesei rotative (GAMR), prin intermediul unui arbore cardanic

(situat în planul al doilea al fotografiei, în partea de sus)

Fig. 4.9. Transmiterea mişcării de rotaţie de la grupul de acţionare de tipul DH la arborele

de antrenare al pompei de noroi, din cadrul grupului motopompă (GMP), de la instalaţia

F200-2DH, cu ajutorul unei transmisii prin curele trapezoidale

În fotografiile din fig. 4.5 ÷ 4.9 se arată, ca exemple, diferite tipuri

de transmisii mecanice utilizate în cadrul LC ale IF.

În tabelul 4.1 se prezintă valorile raportului de transmitere (i), ca

raport de reducere, şi randamentului (η) pentru transmisiile prin lanţuri (tl),

prin curele trapezoidale (tct), angrenajele cilindrice (an.cil) şi conice

(an.con) şi pentru arborii cardanici.

Tabelul 4.1. Valorile raportului de transmitere (i) şi randamentului (η)

pentru transmisiile mecanice

Nr.

crt.

Tipul

transmisiei mecanice

i η

1 Transmisie prin lanţ

(tl)

> 1/6 [4.2] 0,96 ÷ 0,98 [4.2];

0,98 [4.1]

2 Transmisie prin curele

trapezoidale (tct)

> 1/8 [4.2] 0,870 ÷ 0,935 [4.3];

0,94 [4.1]

3 Angrenaj cilindric

(an.cil)

>1/8 [4.4] 0,95 ÷ 0,99 [4.2];

0,98 [4.1]

4 Angrenaj conic

(an.con)

>1/10 [4.3] 0,94 ÷ 0,98 [4.2];

0,96 [4.1]

5 Arbore cardanic (a.cd) 1 0,99 [4.1]

154

Se constată că se pot obţine cele mai importante reduceri ale turaţiei

cu angrenajele conice, apoi cu cele cilindrice, în condiţiile în care

randamentul este relativ ridicat. Transmisia cu lanţ are un randament destul

de mare, însă reducerea turaţiei este ceva mai mică decât a angrenajelor şi a

transmisiei prin curele trapezoidale. Această ultimă transmisie prezintă

randamentul cel mai scăzut dintre transmisiile analizate.

4.2. Construcţia transmisiei cu lanţ şi mărimile sale

constructiv-geometrice

În cadrul sistemelor de lucru (SL) ale IF fabricate în România,

pentru transmiterea mişcării mecanice, se utilizează cel mai mult

transmisiile cu lanţ.

După cum se ştie [4.2], transmisia cu lanţ este recomandată pentru

transmiterea unor momente de torsiune mari, cu menţinerea raportului de

torsiune constant. Ea prezintă următoarele avantaje:

– determină o încărcare redusă pe arbori;

– are un randament ridicat (vezi tabelul 4.1), în situaţia în care este

executată cu precizie şi este bine unsă;

– permite transmiterea unor puteri relativ mari.

Însă, această transmisie are şi o serie de dezavantaje:

– este rigidă;

– produce vibraţii şi zgomot;

– necesită un montaj precis al arborilor şi al roţilor pe arbori;

– necesită o întreţinere mai pretenţioasă faţă de transmisiile prin

curele trapezoidale;

– funcţionează la viteze relativ mici (v < 15 m/s [4.3]).

În cadrul IF se utilizează transmisiile cu lanţuri articulate, cu eclise,

bolţuri, bucşe şi role, numite şi lanţuri cu role şi zale scurte. Acest tip de

lanţ se execută conform recomandărilor ISO/TC 100, respectiv STAS 5 174-

66, având:

p [3/4, 2½]·in; j [1, 10].

Lanţurile cu role şi zale scurte prezintă o durabilitate mult sporită, deoarece

angrenarea lanţului cu dintele roţii se face prin rostogolirea rolei.

a b

Fig. 4.10. Elementele componente ale unui lanţ cu role şi zale scurte,

înainte de montajul celor două zale:

a – za interioară (1 – eclise; 2 – bucşe; 3 – role); b – za exterioară

(4 – bolţuri; 5 – eclise)

Acest tip de lanţ se compune (vezi fig. 4.10 şi 4.11) din zale

interioare cu bucşe şi role şi zale exterioare cu bolţuri, asamblate alternant,

155

astfel încât bolţurile sunt articulate în interiorul bucşelor iar rolele se pot roti

liber pe bucşe. Zaua interioară cu role este formată din două eclise (1), în

găurile cărora sunt presate bucşele (2), pe care sunt montate, cu joc, rolele

(3). Zaua exterioară, cu bolţuri, se compune din două eclise (5), în care se

presează bolţurile (4).

Fig. 4.11. Secţiune şi vedere a unui lanţ cu role şi zale scurte, cu

indicarea elementelor componente şi precizarea dimensiunilor:

1 – eclise; 2 – bucşe; 3 – role; 4 – bolţuri; 5 – eclise; p – pasul

lanţului

Montarea zalelor interioare cu zalele exterioare se efectuează în felul

următor:

1) se montează bolţurile într-una din eclisele exterioare;

2) se introduc aceste bolţuri în bucşele zalelor interioare adiacente;

3) se aplică a doua eclisă aflată în componenţa zalei exterioare;

4) se asigură bolţurile la capete.

a b c d e

Fig. 4.12. Variantele de asigurare a bolţurilor după asamblare: a – prin nituire la ambele

capete; b – prin nituire la un capăt şi ştifturi la celălalt capăt, trecute prin câte două bolţuri

şi îndoite la capete; c, d – prin nituire la capăt şi piuliţe şi cuie spintecate la celălalt capăt.

Tipul zalei de legătură: c – dreaptă; d – cotită; e – cotită dublă.

După asamblare, asigurarea bolţurilor se poate face (cf. [4.1]) într-

una din următoarele variante (vezi fig. 4.12):

i. nituirea la ambele capete;

ii. nituirea la un capăt şi asigurarea celuilalt capăt prin ştifturi,

trecute prin câte două bolţuri şi îndoite la capete;

iii. nituirea la un capăt şi asigurarea celuilalt capăt prin şplinturi, în

cazul în care a ≤ 19,05 mm, sau prin piuliţe şi cuie spintecate,

pentru a ≤ 25,4 mm, a fiind lăţimea interioară a lanţului (vezi fig.

4.11).

Zaua de legătură poate fi dreaptă (fig. 4.12.a, b, c), cotită (fig.

4.12.d) sau cotită dublă (fig. 4.12.e) şi se asigură printr-una din variantele

enumerate mai sus.

156

Tabelul 4.2. Parametrii dimensionali şi de rezistenţă ai lanţurilor cu role şi zale scurte cu un

singur rând de zale, cu două şi cu trei rânduri de zale (ISO/TC 100; STAS 5 174-66)

Tipul

lanţului

Pasul,

p,

in

(mm)

Lăţimea

interioară

a lanţului,

a, mm

Diametrul

exterior

al rolei,

d1, mm

Diametrul

exterior

al bucşei,

d2, mm

Dimensiunile bolţului

Diametrul,

d3, mm

L1,

mm

L2,

mm

L3,

mm

12A ¾

(19,05 12,70 11,91 8,80 5,94 26,0 48,8 71,6

16A 1

(25,40) 15,88 15,88 11,20 7,92 33,1 62,4 91,3

20A 1¼

(31,75) 19,05 19,05 13,90 9,53 39,9 75,7 111,5

24A 1½

(38,10) 25,40 22,23 16,70 11,10 50,3 95,8 141,2

28A 1¾

(44,45) 25,40 25,40 18,30 12,70 53,9 102,8 151,7

32A 2

(50,80) 31,75 28,58 20,70 14,27 64,1 122,7 181,2

40A 2½

(63,50) 38,10 39,80 28,60 19,84 78,8 150,4 221,9

Tabelul 4.2 (continuare). Parametrii dimensionali şi de rezistenţă ai lanţurilor cu role şi

zale scurte cu un singur rând de zale, cu două rânduri şi cu trei rânduri de zale (ISO/TC

100; STAS 5 174-66)

Tip

lanţ

Dimensiunea eclisei

e,

mm

Aa,

mm2

Sarcina

pentru un

rând

Greutatea unitară a

lanţului, q1.l, N/m

g1,

mm

b1,

mm

b2,

mm

Ae,

mm2 1

rând

2

rânduri

3

rânduri Fr.min,

kN

Fpas,

kN

12A 2,4 18,08 15,62 21,8 22,78 1,06 32 0,29 1,47 2,90 4,28

16A 3,2 24,13 20,83 36,0 29,29 1,79 60 0,51 2,57 5,01 7,47

20A 4,0 30,18 26,04 60,0 35,76 2,62 89 0,79 3,73 7,31 11,01

24A 4,8 36,20 31,20 86,0 45,44 3,94 127 1,13 5,50 10,14 16,50

28A 5,6 42,24 36,45 120,0 48,87 4,72 172 1,54 7,50 14,36 21,70

32A 6,5 48,26 41,66 162,0 58,55 5,50 227 2,04 9,70 19,10 28,30

40A 8,0 60,33 52,07 242,0 71,55 10,90 354 3,16 15,80 32,00 48,00

Notă: g1 – grosimea eclisei; b1 – lăţimea interioară a eclisei; b2 – lăţimea exterioară a

eclisei; Ae – aria secţiunii minime a eclisei; e – distanţa dintre rânduri; Aa – aria proiecţiei

feţei articulaţiei; Fr.min – sarcina minimă de rupere pentru un rând; Fpas – sarcina de

măsurare pe pas pentru un rând.

Mărimile constructiv-geometrice ale unei transmisii cu lanţ sunt:

– pasul (p);

– numerele de dinţi ai roţilor de lanţ (z(i)

, i = 1, 2);

– diametrele caracteristice ale danturii;

– mărimile caracteristice ale profilului dinţilor;

– distanţa dintre axe (A);

– lungimea lanţului (L);

– numărul de zale (w).

În fig. 3.14 este reprezentată transmisia prin lanţ împreună cu

mărimile sale dimensionale.

Pasul lanţului determină succesiunea ordonată a articulaţiilor

lanţului în concordanţă cu distanţa dintre flancurile active ale dinţilor roţii

pe care se înfăşoară. Pasul lanţului reprezintă distanţa dintre centrele a două

articulaţii consecutive. Pasul are măsura standardizată (vezi tabelul 4.2).

Forţa utilă transmisă de lanţ este dependentă de pas, şi anume lanţul

cu pasul mai mare transmite o forţă utilă mai mare, adică, pentru o anumită

157

viteză unghiulară a roţii conducătoare şi pentru un anumit număr de dinţi ai

acesteia, momentul de torsiune preluat de la arborele conducător este mai

mare, dar permite o viteză unghiulară considerabil mai mică şi funcţionează

cu sarcină dinamică mare şi cu zgomot.

Fig. 4.13. Dimensiunile lanţurilor cu role şi zale scurte cu un

singur rând, cu două şi trei rânduri de zale

158

a b

Fig. 4.14. Transmisia cu lanţ şi mărimile sale dimensionale (a) şi schema de calcul al

diametrului cercului de divizare (b): idD – diametrul cercului de divizare a roţii i, i = 1, 2; βi – unghiul de înfăşurare a lanţului

pe roata i; γ/2 – unghiul de înclinare a ramurii conducătoare a lanţului faţă de axa care

uneşte centrele roţilor de lanţ; Lr.1, Lr.2 – lungimea ramurii conducătoare (1), respectiv

conduse (2); Lβ.i – lungimea de înfăşurare a lanţului pe roata i; p – pasul lanţului; A –

distanţa dintre axele roţilor; 2·α – pasul unghiular al danturii

Pasul lanţului cu bucşe şi role trebuie să îndeplinească condiţia [4.2]:

3 2

800 5

mM znp

, (4.32)

unde nM este turaţia maximă a roţii cu număr minim de dinţi (zm),

21 ,min zzzm , (4.33)

şi [nM] = rot/min, [p] = mm. Această condiţie se poate scrie şi în funcţie de

viteza unghiulară sub forma următoare:

3 2ω

1,29

mM zp

, (4.34)

în care [ωM] = rad/s şi [p] = mm.

Pe baza condiţiei de mai sus, se recomandă alegerea măsurii minim-

admisibile a pasului pentru sarcina dată (vezi [4.2]).

Numărul de dinţi ai roţii mici de lanţ (zm) se alege cât mai mare,

pentru a mări durabilitatea transmisiei, deoarece:

cu cât acest număr este mai mic, cu atât uzura este mai mare

pentru că unghiul de rotaţie a zalei (pe intervalul căruia are loc

variaţia mărimilor cinematice ale lanţului) la intrarea în

angrenare cu roata de lanţ şi, de asemenea, la ieşirea din

angrenare, este dependent de numărul de dinţi, conform relaţiei

m

Mz

π2α2

; (4.35)

odată cu micşorarea numărului de dinţi creşte neuniformitatea

mişcării lanţului, datorită variaţiei vitezei longitudinale (vl) între

viteza minimă, dată de expresia (cf. [4.2], [4.4])

159

m

Mml

z

pv

πtg2

ω

., (4.36)

şi viteza maximă, exprimată prin formula (cf. [4.2], [4.4])

m

MMl

z

pv

πsin2

ω

.; (4.37)

odată cu micşorarea numărului de dinţi creşte şi viteza de lovire

(şocul) dintre rolă şi dinte, la intrarea în angrenare, care

determină fenomenul de oboseală a ansamblului rolă-bucşă

(F.O.Ro-B).

Alegerea lui zm se face în funcţie de raportul de transmitere, ţinând

cont de aspectele menţionate mai sus, conform tabelului 4.3. La transmisiile

rapide, cu v > 25m/s, se alege zm ≥ 35 [4.2].

Tabelul 4.3. Numărul de dinţi ai roţii mici (zm) a transmisiei

cu lanţ în funcţie de raportul de transmitere (i) [4.2]

i i ≤ 1 1/5 ÷ 1/4 1/4 ÷ 1/3 1/3 ÷ 1/2 1/2 ÷ 1

i ≥ 1 5 ÷ 4 4 ÷ 3 3 ÷ 2 2 ÷ 1

zm [21, 23] [23, 25] [25, 27] [27, 30]

Numărul maxim de dinţi ai roţii de lanţ este limitat, şi anume

(conform [4.2]):

100 Mz , (4.38)

deoarece la întinderea lanţului, pentru un număr mare de dinţi, se produce o

deplasare considerabilă a acestuia de-a lungul profilului roţii.

Se preferă să se aleagă numărul de dinţi ai roţilor de lanţ, în special

pentru roata mică, ca număr impar,

N nnz 12 , (4.39)

deoarece contribuie la o uzură uniformă a lanţului, în combinaţie cu numărul

par al zalelor.

Fig. 4.15. Diametrele caracteristice ale danturii, diametrul de divizare (Dd), de fund/ interior

(Di) şi de vârf/ exterior (De), dimensiunea peste role (M) şi diametrul rolelor-calibru (dc):

a – măsurarea dimensiunii peste două role-calibru introduse în două goluri diametral-opuse,

dacă numărul de dinţi este par; b – măsurarea dimensiunii peste două role-calibru introduse

în două goluri cât mai apropiate de poziţia diametral-opusă, dacă numărul de dinţi este

impar

160

Profilurile dinţilor şi golului dintre dinţi sunt determinate de forma şi

dimensiunile lor, ca şi de diametrele caracteristice ale roţilor de lanţ. Ele

sunt precizate de STAS 5006-82 [4.7], care este în concordanţă cu API

Spec. 7F [4.8].

În fig. 4.15 se arată diametrele caracteristice ale danturii: diametrul

de divizare (Dd), de fund/ interior (Di) şi de vârf/ exterior (De), dimensiunea

peste role (M) şi diametrul rolelor-calibru (dc). Formula diametrului de

divizare (Dd), exprimată de relaţia (4.27), se poate determina pe baza fig.

4.14.b.

Fig. 4.16. Forma şi dimensiunile profilului golului dintre dinţi:

d1 – diametrul nominal al rolei lanţului; R1 – raza locaşului

rolei; δ – unghiul locaşului rolei; R2 – raza flancului dintelui;

kd – înălţimea dintelui; 2·α – pasul unghiular al danturii.

Fig. 4.17. Construcţia danturii roţii şi a lanţului cu role şi zale

scurte, cu două rânduri de zale Fotografia din fig. 4.17 arată construcţia danturii roţii şi a lanţului cu

role şi zale scurte, cu două rânduri de zale.

În STAS 5006-82 [4.7] se prezintă formulele de calcul ale mărimilor

ce caracterizează profilurile limită (minim şi maxim): R1.m, R1.M, R2.m, R2.M,

δm, δM, kd.m, kd.M. Acelaşi standard precizează şi formulele de calcul pentru

lăţimea dintelui şi a danturii în funcţie de felul lanţului: simplu (cu un rând

de zale), dublu şi triplu şi, de asemenea, multiplu (cu peste trei rânduri de

zale), ca şi formulele de determinare a teşirii dintelui (f), razei de teşire (R3),

razei de racordare la obada roţii (R4) şi diametrului obadei roţii (D5).

4.3. Fenomenul de oboseală a ansamblului rolă-bucşă

Datorită construcţiei sale, cu zale, cu o anumită distanţă între

articulaţiile reprezentate de ansamblul rolă-bucşă-bolţ (An.Ro-B-B) (adică

161

un anumit pas), lanţul se înfăşoară poligonal pe roată (vezi fig. 4.18). Ca

urmare a înfăşurării poligonale, în procesul de angrenare a lanţului cu

dinţii roţilor, mărimile cinematice ale lanţului variază în timp pe durata

angrenării unei zale. Acesta este denumit efectul poligonal/ înfăşurării

poligonale. Durata angrenării unei zale se consideră din momentul în care

dintele roţii de lanţ conducătoare ia contact cu rola articulaţiei lanţului şi

până în momentul în care rola următoarei articulaţii intră în contact cu

dintele următor, în acelaşi punct [4.2] (vezi şi fig. 4.19). Aceste mărimi

cinematice pot fi descompuse după două direcţii: direcţia (longitudinală a)

ramurii conducătoare a lanţului şi direcţia normală pe ea. Între punctul de

intrare în angrenare şi punctul în care raza care trece prin articulaţie este

perpendiculară pe ramura activă, are loc o mişcare accelerată iar între acest

ultim punct şi punctul obţinut prin rotaţia cu un pas unghiular a punctului de

intrare în angrenare se produce o mişcare întârziată.

Fig. 4.18. Înfăşurarea poligonală a lanţului pe roată; asigurarea bolţurilor prin

nituire la un capăt (care nu se vede) şi ştifturi la celălalt capăt (care se vede),

trecute prin câte două bolţuri şi îndoite la capete

Dacă acceleraţia maximă după direcţia longitudinală este

independentă de z(1)

, acceleraţia maximă după direcţia normală creşte odată

cu creşterea acestui număr de dinţi, însă diferenţa dintre acceleraţiile

normale maximă şi minimă creşte pe măsură ce z(1)

descreşte. Existenţa

acceleraţiei după cele două direcţii are ca efect producerea unor forţe

dinamice care solicită în mod suplimentar lanţul. Aceste forţe dinamice sunt

proporţionale cu p şi cu ω1, respectiv turaţia roţii conducătoare (n1):

2

1ω pCFd ~ . (4.40)

Forţa dinamică după direcţia normală produce vibraţii transversale

ale lanţului, în special la măsuri mari ale vitezei şi pasului.

La intrarea în angrenare, contactul dintre rolă şi dinte se face cu

şoc, datorită vitezelor diferite ale celor două elemente, 1

mlv.

pentru rolă şi

v(1)

pentru dinte, între ele existând relaţia

1

11 πcos

zvv ml

.. (4.41)

Se observă că diferenţa dintre cele două viteze este cu atât mai mare

cu cât numărul de dinţi ai roţii conducătoare este mai mic. De aceea, z(1)

nu

trebuie să fie prea mic. Cu cât ω1 (n1) este mai mare cu atât este mai mare

162

numărul de ciocniri rolă-dinte în unitatea de timp, ceea ce duce la fenomenul

de oboseală a ansamblului rolă-bucşă (F.O.An.Ro-B) şi a dintelui. Acest

fenomen duce la ruperea lanţului şi a dinţilor şi, ca urmare, la întreruperea

funcţionării instalaţiei de foraj, deci la creşterea timpului neproductiv.

Observaţie. Se constată (cf. [4.2]) că viteza longitudinală este

minimă când zaua intrată în angrenare este coliniară cu această ramură,

adică în punctul în care dintele roţii conducătoare ia contact cu rola şi, de

asemenea, în punctul corespunzător (de intrare în contact dintre dinte şi rolă)

rotit cu un pas unghiular, şi este maximă în momentul când raza care trece

prin articulaţie este perpendiculară pe ramura activă (conducătoare) (vezi şi

fig. 4.19).

Fig. 4.19. Ramura conducătoare a lanţului şi diferitele poziţii pe

care le ocupă articulaţiile în timpul înfăşurării pe roată

Vitezei longitudinale maxime îi corespunde viteza normală minimă

şi vitezei longitudinale minime îi corespunde viteza normală maximă, astfel

încât

21211

nl vvv , (4.42)

unde

2ω

1

1

1 dDv . (4.43)

Componenta pe direcţia normală a ramurii active ( 1

nv ) determină o

mişcare de ridicare-coborâre a ramurii conducătoare a transmisiei cu lanţ.

Deoarece fenomenul de oboseală este accentuat odată cu creşterea

vitezei unghiulare şi, deci, a vitezei lanţului, se limitează viteza lanţului la o

viteză limită maximă (vLM):

LMvv . (4.44)

Pentru roata cu număr minim de dinţi (zm), această relaţie devine

LMzm vv , (4.45)

unde

2

ω zmdzmzm

Dv . . (4.46)

Substituind expresia lui vzm, dată de (4.46) în condiţia (4.45), rezultă

LMzm ωω . (4.47)

163

Tabelul 4.4. Viteza limită maximă a lanţurilor (vLM) în funcţie de pas (p) şi turaţia (nLM) şi viteza unghiulară limită maximă

(ωLM) pentru diferite numere de dinţi ai roţii mici (zm)

p,

in (mm)

vLM,

m/s

nLM, rot/min / ωLM, rad/s

zm = min{z(1)

, z(2)

}

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

1 (25,4) 27,958 3288,6 2862,5

344,4 299,8

1¼ (31,75) 25,117 2363,5 1893,6

247,5 198,3

1½ (38,10) 23,367 1832,4 1359,8

191,9 142,4

1¾ (44,45) 19,525 1312,4

137,4

2 (50,80) 16,775 986,6

103,3

2½ (63,50) 13,933 655,5

68,6

164

În relaţia de mai sus s-a notat:

2

ωzmd

LMLM D

v

.

(4.48)

şi reprezintă viteza unghiulară limită maximă din punctul de vedere al

F.O.An.Ro-B. Expresia acestei viteze se scrie şi astfel

m

LMLM

zp

v πsin

2ω

. (4.49)

Rezultă că viteza unghiulară limită maximă din punctul de vedere al

F.O.An.Ro-B-B este cu atât mai mare cu cât viteza limită maximă a lanţului

este mai mare, cu cât pasul lanţului este mai mic şi numărul minim de dinţi

este, de asemenea, mai mic (vezi tabelul 4.4). Viteza limită maximă a

lanţului scade odată cu creşterea pasului. În tabelul 4.4 se prezintă măsurile

acestei viteze în funcţie de pas, în conformitate cu [4.8], considerând

acţionarea cu turaţie variabilă, aşa cum sunt acţionările care includ

convertizoare hidraulice de cuplu şi, respectiv, motoare electrice de curent

continuu sau de curent alternativ cu convertoare statice de frecvenţă. Se

menţionează faptul că măsurile vitezei limite maxime indicate în tabel sunt

cu 10 % mai mari decât cele acceptate pentru lanţurile de la transmisiile care

lucrează în cadrul sistemelor de lucru acţionate cu turaţie constantă.

4.4. Structura lanţurilor cinematice ale sistemelor de lucru

Se consideră o transmisie mecanică (tm) oarecare – transmisie cu

lanţ (tl), transmisie prin curele trapezoidale (tct) sau angrenaj (an) –,

reprezentată sub forma unei tl (vezi fig. 4.20), din cadrul lanţului cinematic

(LC) al unui sistem de lucru (SL) al instalaţiei de foraj (IF).

Fig. 4.20. Grupa de transmitere parazitară (GTP) şi diagrama structurală pentru

cele trei cazuri din punctul de vedere al valorii raportului de transmitere ig.l :

1) ig.l < 1; 2) ig.l = 1; 3) ig.l > 1

Ansamblul elementelor cuprinse între doi arbori, inclusiv arborii

respectivi, formează o grupă de transmitere (GT). Din punctul de vedere al

contribuţiei GT la determinarea numărului de trepte de viteză ale arborelui

caracteristic (Nac) sau ale organului de lucru (NOL) al SL, se deosebesc:

– grupe de transmitere parazitare (GTP), care nu contribuie la

determinarea acestui număr, fiind formate, deci, din câte o

singură tm (vezi fig. 4.20);

165

– grupe de transmitere utile (GTU), care contribuie la

determinarea lui Nac, având în componenţa lor cel puţin două tm

(vezi fig. 4.21).

GTP contribuie, evident, la transmiterea mişcării la arborele

caracteristic, având rolul de a reduce turaţia sau de a acoperi o distanţă mai

mare între motor şi arborele caracteristic, dar denumirea de „parazitară” se

referă numai la contribuţia ei la realizarea lui Nac.

Fig. 4.21. Grupa de transmitere utilă (GTU), cu două tm, sub forma tl, şi diagrama

structurală corespunzătoare, considerând că transmisia (g.1) este reducătoare

(ig.1 < 1) şi transmisia (g.2) multiplicatoare (ig.2 > 1)

În fig. 4.22 se arată o GTU cu trei tl, care reprezintă cutia de viteze a

sistemului de rotaţie (SR) al instalaţiilor de tipurile F125-2DH, F200-2DH,

F200-2DH-7 şi F200-3EHC-4. Pentru a transmite mişcarea în cadrul unei

GTU (de la arborele g la arborele g+1), folosind când o tm, când alta, este

necesar ca tm respectivă să fie cuplată, în timp ce celelalte transmisii să fie

decuplate. Pentru cuplarea şi decuplarea tm se folosesc cuplajele.

Cuplajul este dispozitivul mecanic, hidraulic sau electromagnetic,

care solidarizează o roată a tm de arborele respectiv fără să modifice

mărimile de lucru/funcţionale ale tm (ω şi M).

Fig. 4.22. O grupă de transmitere utilă, alcătuită din trei transmisii cu lanţ, cu două rânduri

de zale şi pasul de 1¾", care reprezintă cutia de viteze a sistemului de rotaţie al instalaţiilor

de foraj de tipurile F125-2DH, F200-2DH, F200-2DH-7 şi F200-3EHC-4

166

În fig. 4.23 se arată simbolul grafic al unui cuplaj (a) şi montajul

roţii (tm) care se cuplează cu arborele respectiv (b), în situaţia în care roata

este cea condusă a transmisiei mecanice (cu lanţ). Din fig. 4.23.b se constată

că semicuplajul conducător (1c) este solidarizat de roată iar semicuplajul

condus (2c) este solidarizat de arbore, cuplarea cuplajului însemnând, de

fapt, solidarizarea roţii de arbore şi, ca urmare, antrenarea arborelui de către

roată. Dacă roata respectivă ar fi cea conducătoare a transmisiei, atunci, prin

acţiunea de cuplare a cuplajului, roata este antrenată în mişcare de rotaţie de

către arbore.

a b

Fig. 4.23. Simbolul grafic al unui cuplaj mecanic (a)

şi montajul (pe rulmenţi al) roţii care se cuplează cu

arborele respectiv:

1c – semicuplaj conducător; 2c – semicuplaj condus

Într-o GTU sunt atâtea cuplaje mecanice câte tm există în acea

grupă.

În cadrul LC ale SL din componenţa IF se folosesc următoarele

tipuri de cuplaje mecanice:

– cuplaje cu caneluri (CCn) sau dinţate care se utilizează la

transmisia intermediară (TI)/intermediara centrală (IC) a IF, la

cutiile de viteze (CV) şi pentru cuplarea frânei auxiliare

(hidraulice sau electromagnetice);

– cuplaje cu fricţiune (CFr), care pot fi cu burduf (CB) sau cu

discuri (CD).

Cuplajele cu fricţiune (CFr) se mai numesc şi ambreiaje (A), având

posibilitatea cuplării şi decuplării în timpul transmiterii mişcării, existând

următoarele tipuri:

– ambreiaje/cuplaje cu burduf (AB/CB);

– ambreiaje ventilate cu burduf (AVB);

– ambreiaje/cuplaje cu discuri (AD/CD).

Spre deosebire de ambreiaje, cuplajele cu caneluri (CCn) realizează

cuplarea şi decuplarea numai în repaus.

În fig. 4.22 se arată un dublu cuplaj cu caneluri (2CCn) aflat pe

arborele condus (din partea de sus a fotografiei) al CV (a SR al IF de tipurile

F125-2DH, F200-2DH, F200-2DH-7 şi F200-3EHC-4), utilizat pentru

cuplarea celor două tl din partea stângă. Se observă cei doi butuci cu

caneluri exterioare ale roţilor de lanţ conduse ale celor două tl, care

reprezintă semicuplajele conductoare, şi coroana dinţată la interior, care

angrenează cu un butuc canelat (fixat de arbore sau realizat din arbore), ce

reprezintă semicuplajul condus, şi care poate fi deplasată spre stânga sau

spre dreapta cu ajutorul unei furci. Bineînţeles că mai există şi un alt cuplaj,

tot cu caneluri, pentru tl din partea dreaptă, montat, însă, pe arborele

conducător, dar nu se vede din cauza roţii motoare a acestei transmisii. În

fotografia din fig. 4.24 se arată poziţia coroanei dinţate la interior care face

167

legătura dintre butucul roţii din stânga şi butucul canelat al arborelui (care se

vede în dreapta coroanei), realizând, astfel, cuplarea transmisiei din stânga.

Butucul canelat al roţii din dreapta este liber şi, ca urmare, transmisia din

partea dreaptă este decuplată.

Fig. 4.24. Dublul cuplaj cu caneluri (2CCn) din cutia de viteze a instalaţiilor

de foraj F125-2DH, F200-2DH, F200-2DH-7 şi F200-3EHC-4

Cuplajele/Ambreiajele cu burduf (CB/AB) se folosesc pentru

cuplarea grupurilor de acţionare de tipul DH cu arborele respectiv al TI (IC)

a IF (de exemplu, cuplajul de tipul CB 600×125), cuplarea compresoarelor

(de exemplu, CB 300×100) etc. Ambreiajele ventilate cu burduf (AVB) se

utilizează drept cuplaje operaţionale (CO) ale tobei de manevră (TM),

pompelor de noroi (PN), mesei rotative (MR), tobei de lăcărit (TL),

mosoarelor (Ms) etc.

Cuplajele se notează cu litera C şi doi indici, de exemplu, Cg.i, unde

primul indice (g) arată numărul de ordine al arborelui pe care se află

cuplajul iar al doilea indică numărul de ordine al cuplajului pe arbore,

considerând sensul de parcurgere a arborelui de la stânga spre dreapta. De

exemplu, în fig. 4.21, Cg.1 este cuplajul de ordinul g.1, adică cuplajul cu

numărul de ordine 1 de pe arborele g, pe când Cg+1.1 este cuplajul 1 aflat,

însă, pe arborele g+1.

Unei tm îi asociem factorul de transmitere 1 în cadrul relaţiei

structurale a unui SL. Această valoare arată că, folosind tm respectivă, la

arborele condus al ei se obţine o treaptă de viteză, raportul de transmitere

fiind constant (ig.l = const.). Astfel, unei GT i se asociază factorul de

transmitere care reprezintă numărul de tm conţinute în acea grupă. De

exemplu, dacă GT din fig. 4.21 este GT de ordinul g a unui LC şi are mg

transmisii mecanice (TM), atunci factorul de transmitere asociat este mg; în

fig. 4.20, fiind doar două tm, mg = 2, adică la arborele condus al GT

(arborele g+1) se obţin mg = 2 trepte de viteză, având rapoartele de

transmitere ig.1 şi ig.2, cu ig.1 = const., ig.2 = const şi ig.1 ≠ ig.2.

Raportul de transmitere al unei tm dintr-o GT se notează cu litera i şi

doi indici, de exemplu, ig.l, în care primul indice (g) desemnează numărul de

ordine al GT iar al doilea (l) arată numărul de ordine al tm din grupă,

parcurgând grupa de la stânga la dreapta.

168

Notarea dinţilor roţilor de la transmisiile cu lanţ sau de la angrenaje

se face cu i

lgz.

, unde grupul de indici de jos (g.l) identifică ordinul tm

respective din cadrul LC iar indicele de sus, scris în paranteze rotunde (i),

arată numărul de ordine al roţii din tm i {1, 2}, 1 fiind roata conducătoare/

motoare şi 2 – roata condusă.

Diagrama structurală a unei GT este reprezentarea grafică a

vitezelor unghiulare ale mişcării arborilor din grupa respectivă. În fig. 4.20

şi 4.21 s-au reprezentat diagramele structurale ale celor două GT. Astfel, în

fig. 4.20 s-au considerat cele trei cazuri posibile din punctul de vedere al

valorii raportului de transmitere:

1) ig.l < 1, ceea ce înseamnă că

gg ωω 1

1 , transmisia fiind

reducătoare;

2) ig.l = 1, ceea ce înseamnă că

gg ωω 2


intermediară;

3) ig.l > 1, ceea ce înseamnă că

gg ωω 3


multiplicatoare.

În fig. 4.21, s-a considerat că transmisia (g.1) este reducătoare,

ig.1 < 1, adică ωg+1.1 < ωg,

şi transmisia (g.2) multiplicatoare,

ig.2 > 1, adică ωg+1.2 > ωg.

Fig. 4.25. Schema cinematică a sistemului de manevră (SM)

al unei instalaţii de foraj (de exemplu, de tipul F320-3DH)

169

În fig. 4.25 se prezintă schema cinematică (Sch.C) a sistemului de

manevră (SM) al unei IF, de exemplu, al instalaţiei de tipul F320-3DH.

Se constată că acţionarea SM, ca de altfel a tuturor celor trei SL ale

instalaţiei, se face cu trei grupuri de tipul DH. Puterea lor este însumată în

cadrul lanţului cinematic de însumare a puterii (LCÎP), care este transmisia

intermediară (TI) sau intermediara centrală (IC) a instalaţiei. Ea conţine tl

intermediare; deci,

i-1.1 = 1; i-2.1 = 1.

Fiecare grup de acţionare (GA) este cuplat cu arborele respectiv al

TI prin intermediul unui CB, care, de obicei, este de tipul CB 600×125.

Pentru SM, arborele 1 este arborele de însumare a puterii celor trei

GA.

LC al SM este format din trei GT: prima GT este o GTP iar

următoarele două sunt GTU. LC conţine patru arbori, numărul de arbori (na)

fiind egal cu numărul de GT plus unu:

1 GTa nn . (4.50)

Cuplajul C1.2, care poate fi de tipul CD2-750, are rolul de a cupla

transmisia cu lanţ 1 (tl1), cu i1.1 < 1, pentru a transmite mişcarea la toba de

manevră (TM); el se decuplează atunci când se schimbă treapta de viteză a

SM în cadrul cutiei de viteze (CV) (care include transmisiile cu lanţ dintre

arborii 2 şi 3), unde se folosesc cuplaje cu caneluri (CCn); de asemenea, se

decuplează în situaţia în care trebuie să se transmită mişcarea la pompa de

noroi (PN) pentru a se realiza numai circulaţia fluidului de foraj. A doua GT

este o GTU care reprezintă tocmai CV comună pentru SM şi SR (CV

SM+SR). Ea conţine două tl, cu rapoartele de transmitere i2.2 şi i2.3, şi un

angrenaj cilindric, cu raportul i2.1. Cele două tl se folosesc pentru operaţia de

ridicare. Angrenajul cilindric se utilizează pentru inversarea sensului de

rotaţie la TM, atunci când trebuie să se desfăşoare cablul de pe ea, în

momentul în care se constată că acesta s-a uzat, şi, de asemenea, pentru

inversarea sensului de rotaţie a prăjinii de antrenare (PA), cu scopul

efectuării operaţiilor de instrumentaţie (când Gar.F trebuie rotită spre stânga

pentru deşurubarea de la racordul de siguranţă sau pentru declanşarea gealei

mecanice). Pe arborele 2, la capătul din stânga al acestuia, se montează o

„frână inerţială” (FI). Aceasta este un dispozitiv reprezentat de un cuplaj (de

tipul CB 500×125) care are obada fixată la doi cilindri pneumatici, astfel

încât să fie oprită mişcarea arborelui 2 şi să permită rotirea obadei, cu un

anumit unghi, ca să se realizeze cuplarea cuplajelor cu caneluri C2.1, C3.1 şi

C3.2. Deci, prin cuplarea acestei FI se opreşte mişcarea arborelui 2 şi se face

acest lucru atunci când se schimbă treapta de viteză de la CV. A treia GT

este tot o GTU şi are cele două tl care transmit mişcarea la arborele TM.

Transmisia din stânga se numeşte transmisia „de încet”, deoarece transmite

turaţii mici, în cadrul primelor două trepte de viteză ale SM, iar transmisia

din dreapta se numeşte transmisia „de repede”, pentru că transmite turaţii

mari, în cadrul următoarelor două trepte de viteză. Astfel, cuplajul C4.1 este

cuplajul operaţional „de încet” (COÎ) al TM iar C4.2 reprezintă cuplajul

operaţional „de repede” (COR) al tobei.

170

Frânarea arborelui TM (a.TM), necesară pentru operaţia de coborâre,

se face cu ajutorul unui echipament de frânare (Eq.Fr), care constă dintr-o

frână de blocare, care este o frână cu bandă (FB), în cazul acestei scheme

cinematice, şi dintr-o frâna auxiliară (FA), care este de tipul unei frâne

hidraulice/hidromatice (FH). La instalaţiile acţionate electric, FA este o

frână electromagnetică (FE). Aşa cum se observă din fig. 4.25, FH este

cuplată de a.TM cu un cuplaj, care poate fi de tipul cuplajului de sens unic

(CSU) sau cu caneluri (CCn). CSU realizează cuplarea într-un sens de

rotaţie a arborelui TM, şi anume atunci când a.TM se roteşte astfel încât

cablul se desfăşoară de pe tobă, deci pentru operaţia de coborâre a Gar.F sau

coloanei de burlane, şi decuplarea în sens invers, adică atunci când se

efectuează operaţia de ridicare.

Schema cinematică permite studierea transmiterii mişcării şi, în

general, a fluxului energetic de la motoare la arborele caracteristic al SL, şi

determinarea numărului de trepte de viteză obţinute la acest arbore,

respectiv la OL. În cazul acestei scheme a SM, putem determina numărul de

trepte de viteză care se obţin la a.TM (NTM), respectiv la cârlig (Ncr). Acesta

este, de fapt, numărul de trepte de viteză ale SM (NSM), necesare pentru

realizarea operaţiei de ridicare.

Numărul de trepte de viteză ale arborelui caracteristic al unui SL se

determină cu ajutorul relaţiei structurale asociate Sch.C a SL respectiv.

Relaţia structurală a unui SL sau asociată Sch.C a SL este relaţia

dintre numărul de trepte de viteză ale SL şi factorii de transmitere asociaţi

grupelor de transmitere şi, de asemenea, transmisiilor hidraulice (TH) sau

electrice (TE) care se găsesc în cadrul SL.

Factorul de transmitere asociat TH sau TE este 1 , care arată că la

arborele secundar al transmisiei respective se obţine o singură treaptă de

viteză, dar cu posibilitatea de variaţie a raportului de transmitere şi, deci, a

vitezei în cadrul acestei trepte, atunci când se modifică momentul rezistent

care solicită arborele.

Astfel, în cazul LC reprezentat în fig. 4.25, acţionarea fiind de tipul

DH, există în cadrul GA un convertizor hidraulic de cuplu (CHC), căruia i

se asociază factorul de transmitere 1 , ştiind că raportul de transmitere al

CHC, iCHC, este variabil (în mod continuu), 21 , CHCCHCCHC iii ,

adică viteza unghiulară a arborelui secundar este variabilă (în mod

continuu), 2

II

1

IIII ω ,ωω ,

dacă momentul de la acest arbore se modifică (de asemenea, în mod

continuu), 2

II

1

IIII , MMM ,

datorită variaţiei sarcinii de la cârlig, considerând domeniul economic de

funcţionare (DEF) al CHC.

Pentru SM a cărui Sch.C este prezentată în fig. 4.25, relaţia

structurală este următoarea:

171

4 2 x 2 x 1 x 1 x 1 TMaN.

, (4.51)

unde 1 este factorul de transmitere asociat arborelui cardanic (a.cd); 1 –

factorul de transmitere asociat CHC-ului; 1 – factorul de transmitere asociat

primei GT, care este parazitară; [2] – factorul de transmitere asociat cutiei

de viteze (CV), scrierea în paranteze drepte a factorului indicând existenţa

acestei CV; 2 – factorul de transmitere asociat celei de-a treia GT, care

conţine şi arborele caracteristic al SM, adică a.TM. Deci, la arborele TM se

obţin 4 trepte de viteză, pentru fiecare treaptă existând posibilitatea de

variaţie a vitezei unghiulare, datorită CHC-ului.

Cutia de viteze (CV) este o GTU sau mai multe GT, din care cel

puţin una este utilă, şi care nu conţine arborele caracteristic al SL. Deci,

ultima GTU, din schema din fig. 4.25, incluzând a.TM nu este considerată

CV.

Dacă SL are GA cu motor diesel şi TH sau TE, cu arbore cardanic de

legătură între motorul diesel şi TH sau TE, şi are w grupe de transmitere,

fiecare cu mg transmisii mecanice, g = 1, 2, ..., w, atunci relaţia structurală se

scrie astfel:

wgkac mmmmmN x ... ...x x ...x x x x 1 x 1 21 (4.52)

sau

w

ggac mN

1

x 1 x 1 , (4.53)

unde CV conţine mk transmisii mecanice de acelaşi fel.

Dacă LC al SL are în alcătuirea sa u GTU şi v GTP, atunci există

relaţia

vuw . (4.54)

Fig. 4.26. Grupă de transmitere (GT) formată dintr-o tl (în partea dreaptă) şi un

angrenaj cilindric cu dantură înclinată, în formă de „V” (în partea stângă), cu ajutorul

172

căruia se realizează schimbarea sensului mişcării de rotaţie a arborelui condus

(din partea de sus) faţă de tl

Pe baza unui calcul de optimizare a LC (vezi [4.12]), se poate

demonstra că:

acNu ln (4.55)

şi

3 ,2gm . (4.56)

Deci, pentru a realiza un LC optim din punctul de vedere al

complexităţii mecanice, şi anume cu un număr total minim de transmisii

mecanice, ca urmare şi de cuplaje, trebuie ca numărul de GTU să se

determine ca logaritmul natural al numărului de trepte de viteză necesare la

arborele caracteristic al SL, iar fiecare GTU să conţină două sau, cel mult,

trei transmisii.

Numărul de trepte de viteză necesare pentru inversarea sensului

mişcării de rotaţie a a.TM (reversarea mişcării a.TM), NRev.a.TM, în cazul SM

reprezentat în fig. 4.25, este dat de relaţia structurală următoare :

2 2 x 1 x 1 x 1 x 1TMaRevN

.., (4.57)

în care 1

este factorul de transmitere asociat angrenajului cilindric (an.cil)

din a doua GT, care inversează sensul mişcării de rotaţie a arborelui 3 (faţă

de tl) şi, ca urmare, a a.TM, indicat prin semnul „”.

În fotografia din fig. 4.26 se arată o GT formată dintr-o tl (în partea

dreaptă) şi un angrenaj cilindric cu dantură înclinată, în formă de „V” (în

partea stângă), cu ajutorul căruia se realizează schimbarea sensului mişcării

de rotaţie a arborelui condus (din partea de sus) faţă de tl.

4.5. Modul de obţinere a treptelor de viteză

Treptele de viteză la arborele caracteristic al SL se obţin prin

cuplarea anumitor cuplaje, astfel încât se formează un traseu al fluxului

energetic.

Linia de cuplare este succesiunea cuplajelor închise utilizate pentru

obţinerea unei trepte de viteză. Ea arată traseul fluxului energetic al treptei

respective de viteză.

Fig. 4.27. Schema-bloc a lanţului cinematic al unui SL care conţine două GTU, GT de

ordinul i, care este o cutie de viteze (CV) formată din l transmisii mecanice (tm), şi GT

de ordinul n, formată din două transmisii mecanice

Fig. 4.28. Schema-bloc a LC obţinut prin utilizarea transmisiei mecanice de ordinul k

din CV şi a transmisiei de ordinul 1 din ultima GT

173

În fig. 4.27 se prezintă schema-bloc a lanţului cinematic (LC) al unui

SL, care conţine două GTU, din care una, GT de ordinul i, este o cutie de

viteze (CV), formată din l transmisii mecanice (tm), şi cealaltă este GT de

ordinul n, formată din două transmisii mecanice, astfel că ultimul arbore,

care este arborele caracteristic (ac) al SL, este arborele de ordinul n+1.

Utilizând tm de ordinul k din CV şi tm de ordinul 1 din ultima GT, rezultă

LC al SL prin care se transmite fluxul energetic de la arborele 1 la arborele

n+1 (ac) pentru obţinerea unei anumite trepte de viteză (conform fig. 4.28).

Prin cuplarea acelor cuplaje care permit folosirea tuturor transmisiilor

mecanice din cadrul LC reprezentat în fig. 4.28 se obţine linia de cuplare

corespunzătoare treptei de viteză respective.

De exemplu, cele patru trepte de viteză de la a.TM al SM,

reprezentat în fig. 4.25, se pot obţine astfel:

(1) C1.1 C1.2 C3.1 C4.1 (I);

(2) C1.1 C1.2 C3.2 C4.1 (II); (MOTV 1)

(3) C1.1 C1.2 C3.1 C4.2 (III);

(4) C1.1 C1.2 C3.2 C4.2 (IV),

în care notaţia Ci.j, cu i 1, 3, 4 şi j 1, 2, înseamnă că acest cuplaj

este cuplat, iar „” este operaţia logică „şi”.

Se observă că celor patru trepte de viteză, notate cu cifre romane (I,

II, III şi IV) le corespund patru linii de cuplare: (1), (2), (3) şi (4). Se

constată că a II-a treaptă de viteză se obţine din prima decuplând C3.1 şi

cuplând C3.2, a III-a treaptă, decuplând C3.2 şi cuplând C3.1 şi, de asemenea,

decuplând C4.1 şi cuplând C4.2, şi a IV-a, doar decuplând C3.1 şi cuplând C3.2.

Deci, cuplajul C4.1 se foloseşte pentru obţinerea primelor două trepte de

viteză, mai mică, necesare pentru ridicarea garniturii de foraj (Gar.F) de la o

adâncime mai mare, iar C4.2, pentru obţinerea următoarelor două trepte de

viteză, mai mare, corespunzătoare unei sarcini de la cârlig mai mici. De

aceea, cuplajul C4.1 se numeşte cuplaj/ ambreiaj operaţional de încet

(C/AOÎ) al TM, iar C4.2, cuplaj/ ambreiaj operaţional de repede (C/AOR) al

TM (vezi şi subcapitolul 4.4)

S-a realizat, astfel, un mod de obţinere a treptelor de viteză (MOTV)

pe care-l denumim modul 1 (MOTV 1).

Modul de obţinere a treptelor de viteză (MOTV) reprezintă

succesiunea liniilor de cuplare cu ajutorul căreia se obţin treptele de viteză

necesare la arborele caracteristic (ac) al SL.

MOTV se determină plecând de la propoziţia logică asociată SL. În

cazul analizat, propoziţia logică asociată SM reprezentat în fig. 4.25 este:

VCCVCCCC 4.24.13.23.11.21.1 ,

unde semnul „V” reprezintă operaţia logică „sau”.

Prin descompunerea parantezelor rotunde se determină două MOTV,

dintre care unul este cel precizat mai sus (MOTV 1) iar cel de-al doilea este:

(1) C1.1 C1.2 C3.1 C4.1 (I);

(2) C1.1 C1.2 C3.1 C4.2 (II); (MOTV 2)

(3) C1.1 C1.2 C3.2 C4.1 (III);

(4) C1.1 C1.2 C3.2 C4.2 (IV),

174

Diferenţa dintre cele două MOTV constă în succesiunea liniilor (2)

şi (3), care este diferită într-un caz faţă de celălalt, ceea ce antrenează o serie

de consecinţe în ceea ce priveşte utilizarea cuplajelor, timpul (auxiliar)

necesar pentru schimbarea treptelor de viteză, dimensionarea cuplajelor şi,

de asemenea, dimensionarea arborilor.

Analizând MOTV 1, se constată că acesta se caracterizează prin

(vezi şi [4.13]):

folosirea în mod alternativ a cuplajelor cu caneluri C3.1 şi C3.2 ale cutiei de

viteză (CV), şi anume C3.1 pentru treptele I şi III şi C3.2 pentru treptele II şi

IV, ceea ce face ca: 1) ambele cuplaje să fie dimensionate pentru momente

de torsiune apropiate ca măsură, astfel că C3.1 şi C3.2 se pot realiza sub forma

unui dublu cuplaj cu caneluri, obţinându-se o construcţie mai compactă a

CV; 2) să se utilizeze cuplajul operaţional C1.2 de fiecare dată când se

schimbă treapta de viteză, realizându-se cu ajutorul lui şase operaţii de

cuplare (C) şi decuplare (D);

folosirea în mod succesiv a cuplajelor operaţionale (CO) ale TM, C4.1 şi

C4.2, şi anume C4.1 pentru treptele I şi II (de viteză mică) şi C4.2 pentru

treptele III şi IV (de viteză mare), cele două CO fiind solicitate diferit,

având, prin urmare, momente capabile diferite;

realizarea celor patru trepte de viteză cu ajutorul a 14 operaţii de C şi D,

din care şase sunt obţinute cu C3.1 şi C3.2, şase cu C1.2 şi numai două cu CO

ale TM, ceea ce presupune un timp auxiliar mai îndelungat pentru

schimbarea treptelor de viteză.

În schimb, MOTV 2 se caracterizează prin:

utilizarea în mod succesiv a cuplajelor CV, adică C3.1 pentru treptele I şi II

şi C3.2 pentru treptele următoare (III) şi (IV), fapt care determină folosirea

ambreiajului C1.2 pentru a realiza numai două operaţii de C şi D şi

diferenţierea din punct de vedere dimensional a lui C3.1 faţă de C3.2, ceea ce

duce la construirea a două cuplaje distincte, gabaritul CV fiind mai mare;

folosirea în mod alternativ a CO ale TM, C4.1 şi C4.2, care trebuie să aibă,

din acest motiv, momente capabile sensibil apropiate ca măsură;

obţinerea celor patru trepte de viteză cu ajutorul a 10 operaţii de C şi D,

din care numai două sunt realizate cu C3.1 şi C3.2, tot două cu C1.2 şi şase cu

CO ale TM, ceea ce are ca efect un timp auxiliar pentru schimbarea treptelor

de viteză mult mai redus în comparaţie cu MOTV 1.

Din succesiunea liniilor de cuplare rezultă că traseele fluxurilor

energetice pentru treptele de viteză II şi III se inversează pentru cele două

MOTV. Astfel, se constată o uniformizare a solicitărilor diferitelor porţiuni

ale arborilor 3 şi 4 în cazul MOTV 1 faţă de MOTV 2, care are implicaţii

asupra fenomenului de oboseală şi, ca urmare, asupra durabilităţii acestor

arbori, în cazul MOTV 1 situaţia fiind mai favorabilă.

Deci, în cadrul MOTV 1 se utilizează mai mult cuplajele cu caneluri

ale cutiei de viteze (CV), C3.1 şi C3.2, care sunt mai greu de manevrat pentru

că necesită oprirea arborilor, iar în cadrul MOTV 2, cele mai folosite sunt

cuplajele operaţionale ale TM (C4.1 şi C4.2), care se pot manevra foarte uşor,

din mers.

Plecând de la adevărul că „Factorul implacabil, absolut, de cost, este

TIMPUL, iar factorul material de cheltuieli este METALUL”, se pot

175

diferenţia două criterii de alegere a MOTV, şi anume criteriul timpului

minim de schimbare a treptelor de viteză şi criteriul consumului minim de

material pentru confecţionarea arborilor. Criteriul timpului minim de

schimbare a treptelor de viteză impune un număr total minim de operaţii de

C-D, din care să se realizeze un număr maxim de operaţii de C-D cu ajutorul

cuplajelor operaţionale. Astfel, conform primului criteriu, este optim MOTV

2, în timp ce, în conformitate cu al doilea criteriu, MOTV 1 este optim.

Lanţurile cinematice ale sistemelor de manevră de la IF româneşti

satisfac al doilea criteriu.


cinematic

Raportul de transmitere total realizat de lanţul cinematic (LC) al unui

sistem de lucru (SL) este definit în felul următor:

1ω

ωacti , (4.58)

unde ωac este viteza unghiulară a mişcării de rotaţie a arborelui caracteristic

(ac) şi ω1 – viteza unghiulară a mişcării de rotaţie a arborelui 1al LC.

Relaţia (3.117) se poate scrie şi astfel:

1

2

1k

1k

2

1

1 ω

ω...

ω

ω

ω

ω...

ω

ω

ω

ω

ω

ω

k

k

w

w

w

w

w

acti , (4.59)

în care arborele caracteristic (ac) este arborele w+1 (ac ≡ w+1), presupunând

că LC conţine w grupe de transmitere (GT), iar fiecare raport este raportul

de transmitere al unei transmisii mecanice (tm) din fiecare GT; deci:

lglgt ii

,.

, (4.60)

unde ig.l este raportul de transmitere (parţial) al tm de ordinul g.l, adică al tm

de ordinul l din GT de ordinul g.

Celor două MOTV, determinate pentru SM reprezentat în fig. 4.25,

le corespund următoarele relaţii dintre rapoartele de transmitere totale ale

treptelor de viteză it.j, j = I, II, III, IV, şi rapoartele de transmitere parţiale

ig.l:

132211I ....iiiit ;

133211II ....iiiit ; (4.61)

232211III ....iiiit ;

233211IV ....iiiit ,

pentru MOTV 1, şi

132211I ....iiiit ;

232211II ....iiiit ; (4.62)

133211III ....iiiit ;

233211IV ....iiiit ,

pentru MOTV 2.

În cadrul acestor relaţii, raportul de transmitere total de ordinul j

(pentru treapta de ordinul j) este

176

1ω

ω jTM

jti.

. . (4.63)

Dacă se pune problema proiectării LC al SL, rapoartele de

transmitere totale it.j sunt cunoscute, ele fiind determinate din anumite

condiţii (vezi subcapitolul 4.5), iar rapoartele parţiale ig.l sunt necunoscute.

De aceea, fiecare din sistemele de ecuaţii algebrice (4.61) şi, respectiv,

(4.62), se numeşte sistemul de ecuaţii ale liniilor de cuplare (SELC) asociat

LC al SM pentru MOTV considerat.

Deoarece în cazul SM trebuie să fie satisfăcută succesiunea de

inegalităţi:

IVIIIIII .... tttt iiii , (4.64)

rezultă următoarele condiţii pentru rapoartele de transmitere parţiale:

132

22

23

13 .

.

.

.

i

i

i

i, (4.65)

pentru MOTV 1, şi

123

13

32

22 .

.

.

.

i

i

i

i, (4.66)

pentru MOTV 2.

4.7. Rezumat

Capitolul 4 tratează lanţurile cinematice (LC) ale SL ale IF. Sunt

prezentate tipurile de transmisii mecanice folosite în cadrul acestor SL,

punând în evidenţă mărimile lor caracteristice. Se acordă atenţie transmisiei

cu lanţ cu role şi zale scurte, deoarece aceasta este utilizată foarte mult la IF.

Astfel, sunt prezentate mărimile sale caracteristice, dimensionale şi

cinematice, şi se deduce condiţia de limitare a fenomenului de oboseală ce

afectează ansamblul rolă-bucşă (F.O.An.Ro-B) şi viteza unghiulară limită

maximă din punctul de vedere al acestui fenomen. În continuare, este

studiată structura LC, pe baza schemei cinematice a SM al unei IF, se

determină numărul de trepte de viteză cu ajutorul relaţiei structurale şi se

arată condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească un LC pentru a fi optim

d.p.d.v. al complexităţii mecanice. Apoi, este definit modul de obţinere a

treptelor de viteză (MOTV) pentru o schemă cinematică dată, deducându-se

două moduri care satisfac criterii diferite: criteriul timpului minim de

schimbare a treptelor de viteză şi criteriul consumului minim de material

pentru confecţionarea arborilor. Cu ajutorul MOTV, se determină, în cadrul

unui subcapitol separat, sistemul de ecuaţii ale liniilor de cuplare (SELC),

asociat LC, care poate fi utilizat pentru proiectarea LC sau, în cazul unei IF

construite deja, pentru calculul rapoartelor de transmitere totale

corespunzătoare treptelor de viteză ale SL respectiv.

4.8. Aplicaţii

Aplicaţia 4.1 (A.4.1). Să se descrie modul cum se transmite fluxul

energetic de la primul grup de acţionare la a.TM în cadrul LC al SM al IF de

177

tipul F200-2DH, a cărui schemă cinematică (Sch.C) este reprezentată în fig.

A.4.1.1!

Fig. A.4.1.1. Schema cinematică a LC al SM al IF de tipul F200-2DH

Rezolvare

Grupul de acţionare (GA) este de tipul DH, fiind format dintr-un

motor diesel (D1) şi un convertizor hidraulic de cuplu (CHC), de tipul CHC

750-2. Arborele motorului este cuplat cu arborele primar al CHC prin

intermediul unui arbore cardanic. GA este cuplat la primul arbore al LC al

SM cu un cuplaj cu burduf de tipul CB600×125 (cu diametrul tamburului de

600 mm şi lătimea plăcuţelor de fricţiune de 125 mm). Primul arbore este

arborele de însumare a puterilor celor două GA. De la acest arbore se preia o

parte din energia mecanică şi pentru acţionare compresorului 2C10 (cu doi

cilindri în V şi presiunea nominală de 10 bar), folosind o transmisie prin

curele trapezoidale. Cuplarea acestui compresor se face cu un cuplaj de tipul

CB300×100.

LC al SM conţine 3 GT, din care primele două sunt parazitare (GTP)

iar ultima, care include şi a.TM este utilă (GTU), fiind formată din două

transmisii cu lanţ (tl): tl de încet, din partea de sus, şi tl de repede, din partea

de jos.

Astfel, fluxul energetic se transmite de la arborele 1 la arborele 2 cu

ajutorul unei tl intermediare: 30×30×1½", adică cu roţile de lanţ cu acelaşi

număr de dinţi (30) şi cu pasul lanţului de 1½". Pentru transmiterea mai

departe a energiei mecanice trebuie să se cupleze ambreiajul ventilat cu

burduf AVB600×250. Urmează un arbore cardanic care face legătura cu

arborele 3, de intrare în troliul de foraj (TF). De la arborele 3 la arborele 4

energia se poate transmite fie cu o tl, fie cu un angrenaj cilindric (an.cl). Tl

se foloseşte pentru operaţia de ridicare iar an.cl (care inversează sensul de

rotaţie la arborele 4) pentru desfăşurarea cablului de pe TM în situaţia în

care trebuie să se taie porţiune uzată de cablu. Tl este o transmisie

reducătoare: 30×49×1½, roata conducătoare având 30 de dinţi, iar cea

condusă 49 de dinţi, pasul lanţului fiind de 1½". An.cl este reducător, având

pinionul cu 58 de dinţi şi roata condusă cu 85 de dinţi. Pentru cuplarea tl şi a

178

an.cl se utilizează un dublu cuplaj cu caneluri, montat între roţile conduse

ale acestor transmisii, pe arborele 4. Pe arborele 4, este montat o frână

inerţială (FI), reprezentată de un cuplaj de tipul CB500×125, cu obada fixă.

FI este folosită atunci când se schimbă treapta de viteză în cadrul cutiei de

viteză (CV) a sistemului de rotaţie, care este inclusă în TF, şi anume atunci

când se utilizează următoarele tl: 49×30×1¾, 28×28×1¾ şi 26×45×1¾. Dar,

aceste tl nu interesează pentru SM, respectiv pentru efectuarea operaţiei de

ridicare. Între arborii 4 şi 5 (care este a.TM), energia se transmite cu ajutorul

a două tl reducătoare: 26×67×2 (tl de încet) şi 26×34×2 (tl de repede), pasul

laţului fiind de 2". Cuplarea tl de încet se face cu ambreiajul operaţional de

încet AVB1120×300 (montat pe a.TM) iar cuplarea tl de repede cu

ambreiajul operaţional de repede AVB900×250, montat pe arborele 4. Pe

arborele 5 se montează TM, care se caracterizează prin diametru de 710 mm

şio lungimea activă de 1 180 mm. Echipamentul de frânare constă dintr-o

frână cu bandă, dublă şi echilibrată, cu benzile de frână care se înfăşoară pe

cei tamburi, montaţi de o parte şi de cealaltă a TM, şi o frână auxiliară care

este o frână hidraulică de tipul FH46 (cu diametrul maxim activ al rotorului

de 46").

Aplicaţia 4.2 (A.4.2). Să se determine parametrii caracteristici

constructivi principali ai transmisiilor mecanice utilizate în cadrul SM,

pentru efectuarea operaţiei de ridicare, pe baza schemei cinematice

reprezentate în fig. A.4.1.1.

Rezolvare

Transmisiile mecanice utilizate în cadrul SM, pentru efectuarea

operaţiei de ridicare, sunt transmisii cu lanţ (tl).

Mărimile caracteristice constructive principale ale tl sunt: numerele

de dinţi ai roţilor de lanţ ( i

lgz., i =1, 2), pasul lanţului (pg), numărul de

rânduri de zale (jg), diametrele de divizare ale roţilor i

lgdD..

şi raportul de

transmitere (ig.l). Măsurile acestor mărimi reprezintă parametrii caracteristici

constructivi ai tl.

Tabelul A.4.2.1. Parametrii transmisiilor cu lanţuri din cadrul LC al SM

Tipul tl (g.l)

Mărimile caracteristice

1.1 2.1 3.1 3.2

pg, in (mm) 1½ (38,1) 1½ (38,1) 2 (50,8) 2 (50,8)

jg 6 6 3 3 1

l.gz 30 30 26 26

1l.g.dD , mm 364,5 364,5 421,4 421,4

2l.gz 30 49 67 34

2l.g.dD , mm 364,5 594,7 1 075,3 550,6

ig.l 1 0,612914 0,391891 0,765347

Cg.j – C4.1 C5.1 C4.1

Tipul cuplajului – CCn AVB1120×300 AVB900×250

179

Există trei GT: g = 1, 2, 3. Folosind Sch.C din fig. A.4.1.1 (vezi şi

A.4.1), se completează tabelul A.4.2.1.

Transformarea din in (inch) în mm se face cu relaţia: 1 in = 25,4

mm.

Calculul diametrului de divizare se face cu formula (4.27) iar

raportul de transmitere se determină cu expresia (4.24) şi rezultatele sunt

introduse în tabelul A.4.2.1. De exemplu, în cazul tl (2.1) se obţin următoare

rezultate:

mm ,5364

30sin

mm 38,1112

..dD ;

mm 594,7

49sin

mm 38,1212

..dD ;

612914,0594,7

,536412 .i .

Aplicaţia 4.3 (A.4.3). Să se arate cum trebuie să se aleagă viteza

unui lanţ cu role şi zale scurte cu pasul de 1¾" şi, de asemenea, viteza

unghiulară şi turaţia roţii mici a transmisiei, dacă numărul ei de dinţi este

31, în cazul în care acţionarea este de tipul DEC! Să se justifice şi să se

precizeze semnificaţia tuturor notaţiilor folosite!

Rezolvare

Pentru limitarea fenomenului de oboseală a ansamblului rolă-bucşă

F.O.An.Ro-B, viteza lanţului (v) trebuie să se aleagă mai mică sau cel mult

egală cu viteza limită maximă d.pd.v. al acestui fenomen (vLM). Astfel,

pentru acţionarea DEC, care utilizează motoare electrice de c.c., cu turaţie

variabilă, din tabelul 4.4, se deduce că vLM = 19,525 m/s. Deci, trebuie ca:

v ≤ 19,525 m/s.

Viteza unghiulară a roţii mici a tl (ωzm) trebuie să îndeplinească

condiţia:

ωzm ≤ ωLM,

unde viteza unghiulară limită maximă d.p.d.v. al F.O.An.Ro-B (ωLM) se

determină cu formula (4.49), pentru pasul de 1¾",

p = 1¾" = 1,75·25,4 mm = 44,45 mm = 44,45·10-3

m.

Rezultă:

s

rad 88,878

s

rad

31sin

1045,44

525,1923

LM ;

min

rot ,7848

min

rot ,87888

30

LMn .

Deci:

ωzm ≤ 88,878 rad/s;

nzm ≤ 848,7 rot/min.

180


1) Care este relaţia de calcul al raportului de transmitere al unui angrenaj

cilindric pe care o putem utiliza fără posibilitatea de a efectua vreo

măsurare?

2) Având acces la o transmisie cu lanţ, dar fără posibilitatea de a măsura, să

se arate cum se poate determina raportul de transmitere al acestui tip de

transmisie!

3) A) Care este tm ce poate realiza cea mai mare reducere a turaţiei? B) Dar,

cea mai mică?

4) A) Cum trebuie să se aleagă numărul de zale şi numerele de dinţi ai

roţilor de lanţ? B) Ce fel de za de legătură trebuie să se utilizeze în cazul A,

mai ales în cazul lanţurilor care lucrează în condiţii grele? C) Să se justifice

afirmaţiile făcute!

5) A) Să se determine şi să se interpreteze relaţia dintre viteza rolei/ lanţului

şi cea a dintelui roţii de lanţ în momentul intrării în angrenare a unei zale!

B) Denumiţi efectul caracteristic al unui lanţ manifestat prin variaţia

periodică a vitezei rolei/ lanţului pe durata angrenării unei zale! C) Ce

fenomen se manifestă în timp din cauza modalităţii în care se produce

contactul rolă-dinte şi cum se poate limita el?

6) Care sunt rolurile grupelor de transmitere parazitare (GTP) şi utile (GTU)

în cadrul lanţului cinematic (LC) al unui sistem de lucru (SL)?

7) Câte cuplaje trebuie să existe într-o GTU şi cum trebuie să fie distribuite?

8) Câte transmisii mecanice de acelaşi tip (angrenaje cilindrice sau

transmisii cu lanţuri) trebuie să conţină o GTU pentru ca LC să fie optim?

9) Ce reprezintă factorul de transmitere asociat unei GT?

10) A) Să se reprezinte o parte din lanţul cinematic (LC) al unui SL cu

acţionare DH, formată din grupa de transmitere de ordinul 2 care este

parazitară şi grupa de ordinul 3 care este cutia de viteze a SL căreia i se

asociază factorul de transmitere egal cu 3. Această parte a LC conţine şi

transmisia care realizează inversarea sensului de rotaţie al organului de

lucru. B) Cum se numeşte această reprezentare? C) Ce tipuri de transmisii şi

de cuplaje conţin cele două grupe?

11) A) Să se reprezinte cu simbolurile caracteristice elementelor respective

doar LC al SM al IF de tipul F320-EC, precizând toate notaţiile! B) Să se

determine numărul de trepte de viteză ale SM al IF de tipul F320-EC, prin

scrierea relaţiilor structurale respective! C) Pentru ce operaţii sunt necesare

aceste trepte?

12) A) Să se reprezinte doar LC al SM al IF de tipul F125-2DH! B) Să se

calculeze parametrii caracteristici ai transmisiilor, precizând toate notaţiile!

13) A) Să se determine modul de obţinere a treptelor de viteză necesare

pentru efectuarea operaţiei de ridicare în cadrul instalaţiei F125-2DH pe

baza reprezentării LC respectiv! B) Care sunt tipurile de ambreiaje

operaţionale utilizate şi unde sunt montate?

14) A) Să se precizeze, în ordinea dinspre arborele caracteristic spre motor,

elementele LC al IF de tipul F400-DEC care preiau sarcina de la cârlig,

pentru treapta I de viteză, evidenţiind semnificaţia notaţiilor! B) Care este

SL căruia îi aparţin aceste elemente?

181


1) Să se descrie modul cum se transmite fluxul energetic de la primul grup

de acţionare la a.TM în cadrul LC al SR al IF de tipul F125-2DH, folosind

Sch.C a acestei IF!

2) Să se verifice criteriul de limitare a fenomenului de oboseală a

ansamblului rolă-bucşă (F.O.An.Ro-B) de la transmisia cu lanţ (1.1) din LC

al SM al instalaţiei de foraj de tipul F320-3DH!

3) Să se determine numărul de trepte de viteză ale tuturor SL ale IF de tipul

F500-4DH, pe baza relaţiilor structurale!

4) A) Să se reprezinte Sch.C a SM al IF de tipul F200-EC, cu ajutorul

simbolurilor elementelor respective! B) Să se determine MOTV materializat

pentru SM al IF de tipul F200-EC, utilizând Sch.C a acestei instalaţii!


1) raportul dintre numerele de dinţi ale roţilor; 2) raportul dintre sinusurile

raportului dintre π şi numărul de dinţi; 3) A) an.con; B) tl; 4) A) z – număr

impar, w – număr par; B) dreaptă, C) obţinerea unei uzuri uniforme a

lanţului (pentru A), evitarea reducerii sarcinii de rupere (pentru B); 5) A) se

folosesc expresia vitezei periferice a roţii/ dintelui şi formula diametrului de

divizare în relaţia vitezei longitudinale minime; B) efectul înfăşurării

poligonale a lanţului pe roată; C) F.O.An.Ro-B; limitarea vitezei lanţului la

o viteză limită maximă; 6) GTP: contribuie la: reducerea turaţiei, acoperirea

unei distanţe mai mari între motor şi arborele caracteristic; GTU: realizarea

lui Nac; 7) atâtea cuplaje câte tm sunt în GT; se distribuie uniform pe cei doi

arbori; 8) 2 sau 3; 9) numărul de tm conţinute în GT; 10) se reprezintă trei

arbori, notaţi cu 2, 3 şi 4; între primii doi, este prima GT, în care se

figurează o tl şi un an.cl (care este tm care inversează sensul mişcării în

cazul acţionării DH) şi între următorii doi arbori se reprezintă trei tl; B)

Sch.C; C) tl; cuplaje cu caneluri: un cuplaj dublu între tl şi an.cl, pe arborele

3, un cuplaj pe arborele 3, lângă roata conducătoare a primei tl din GTU şi

un cuplaj dublu, pe arborele 4, între roţile conduse ale următoarelor tl din

GTU; 11) A) se identifică LC al SM în Sch.C a IF de tipul F320-EC şi se

reprezintă pe baza ei, folosind simbolurile precizate în acest capitol; B)

4 2 x 2 x 1 TMaSM NN .; C) extragerea/ ridicarea Gar.F; săltarea din

broasca cu pene a CB; 12) A) vezi 11.A; B) vezi A.4.2; 13) A)

C1.1ΛC2.1ΛC5.1ΛC6.1; C1.1ΛC2.1ΛC5.1ΛC6.2; B) AVB1120×300 şi

AVB900×250; C) arborele 6 (al TM); 14) se studiază LC al SM al IF de

tipul F200-EC: TM, a.TM (arborele 3), AVB1120×300, tl 48×31×1¾,

arborele 2, C2.1, tl 25×57×1½, arborele 1, tl 25×25×1½, arborele (–1); B)

SM.

Bibliografie



182

4.2. Chişiu, Al., Matieşan, D., Mădărăşan, T., Pop, D., Organe de maşini. Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.

4.3. Bunescu, V., Ionescu, V., Soseanu, R., Vasilescu, Gh., Raţionalizarea

calculelor în proiectare. Ediţia a II-a, completată şi revizuită. Editura Tehnică,

Bucureşti.

4.4. Grigore, N., Transmisii mecanice. Editura Universităţii din Ploieşti, 2003.

4.5. * Lanţuri cu role. Independenţa S.A., Sibiu.

4.6. Bublic, A., Cristea, V., Hirsch, I., Peligrad, N, Silion, Gh., Utilaj petrolier

pentru foraj şi extracţie. Editura tehnică, Bucureşti, 1968.

4.7. * STAS 5006-82. Roţi de lanţ pentru lanţuri cu role şi zale scurte. Calculul

elementelor geometrice ale profilelor limită ale danturii.

4.8. * API Spec 7F. API Specification for Oil-field Chain and Sprockets.

American Petroleum Institute (API).

4.9. Horovitz, B. ş. a., Transmisii şi variatoare prin curele şi lanţuri. Editura

tehnică, Bucureşti.

4.10. Mangeron, D., Irimiciuc, N., Mecanica rigidelor cu aplicaţii în inginerie.

Vol. II. Mecanica sistemelor de rigide. Editura tehnică, Bucureşti, 1980.

4.11. Costin, I., Îndrumătorul mecanicului de la exploatarea, întreţinerea şi

repararea utilajelor de foraj. Editura tehnică, Bucureşti, 1984.

4.12. Vlad, I., Maşini şi utilaj petrolier pentru foraj şi extracţie. Partea a III-a.

Institutul de Petrol şi Gaze, Ploieşti, 1984.

4.13. Parepa, S., Modul de obţinere a treptelor de viteză în cadrul agregatului de

manevră al instalaţiilor de foraj. Revista Română de Petrol, Serie nouă, vol.8,

nr.4, octombrie-decembrie, 2001, p. 29-38, Institutul de Cercetări şi Proiectări

Tehnologice, Câmpina, România.

183

MODULUL 3

SISTEMELE DE LUCRU PRINCIPALE ALE

INSTALAŢIEI DE FORAJ

CONŢINUT

CAPITOLUL 5. SISTEMUL DE MANEVRĂ ……………………........ 185

5.1. Funcţiunile, componenţa şi mărimile fizice definitorii ...................... 185

5.2. Maşina macara-geamblac .................................................................. 190

5.3. Cablul de manevră ............................................................................ 196

5.4. Geamblacul de foraj .......................................................................... 204

5.5. Ansamblul macara-cârlig .................................................................. 211

5.6. Troliul de foraj .................................................................................. 219

5.7. Ansamblul arborelui tobei de manevră ............................................. 229

5.8. Echipamentul de frânare ................................................................... 233

5.9. Diagrama de ridicare ......................................................................... 240

5.10. Rezumat ........................................................................................... 244

5.11. Aplicaţii ........................................................................................... 245




Bibliografie ...................................................................................... 249

CAPITOLUL 6. SISTEMUL DE ROTAŢIE ........................................... 251

6.1. Componenţa şi funcţiile ..................................................................... 251

6.2. Grupul de antrenare a mesei rotative ................................................. 253

6.3. Masa rotativă .................................................................................... 254

6.4. Pătratul mare ...................................................................................... 262

6.5. Dispozitivul de antrenare ................................................................... 264

6.6. Capul hidraulic ................................................................................... 266

6.7. Capul hidraulic-motor/ Top drive-ul ................................................. 274

6.8. Rezumat ............................................................................................. 285

6.9. Aplicaţii ............................................................................................. 285




Bibliografie ...................................................................................... 288

OBIECTIVE:

Cunoaşterea funcţiilor şi componenţei sistemelor de lucru principale

(SLP);

Cunoaşterea construcţiei, funcţionării şi modului de exploatare a utilajelor

care fac parte din SLP;

184

Deprinderea metodelor specifice de calcul funcţional, cinematic şi dinamic

al utilajelor din cadrul SLP;

Însuşirea metodologiei de alegere a utilajelor din componenţa SLP, pe

baza unui calcul specific, funcţional sau de rezistenţă;

Formarea unei gândiri inginereşti de corelare a factorilor de exploatare a

utilajelor principale cu funcţionarea şi construcţia acestora şi alegerea

tipului corespunzător de utilaj.

TERMENI-CHEIE:

Sistem de manevră, sistem de rotaţie, maşină macara-geamblac, cablu de

manevră, macara, geamblac, chiolbaşi, elevator, troliu de foraj, ansamblu al

arborelui tobei de manevră, tobă de manevră, echipament de frânare, frână

cu bandă, frână cu disc, frână hidraulică, frână electromagnetică, masă

rotativă, pătrat mare, dispozitiv de antrenare, cap hidraulic, top drive

185

CAPITOLUL 5

SISTEMUL DE MANEVRĂ

5.1. Funcţiunile, componenţa şi mărimile fizice definitorii

Sistemul de manevră este unul dintre cele trei sisteme de lucru

principale (SLP) ale unei instalaţii de foraj (IF).

Sistemul de manevră (SM) reprezintă totalitatea utilajelor şi

structurilor metalice de rezistenţă cuprinse între motor sau motoare (inclusiv

acestea) şi elevator, cu ajutorul căreia se realizează manevra materialului

tubular.

Funcţiunile SM sunt:

1) efectuarea manevrei garniturii de foraj (Gar.F) pentru înlocuirea

sapei uzate cu alta nouă;

2) susţinerea Gar.F în timpul forajului pentru realizarea forţei de

apăsare pe sapă (FS);

3) efectuarea manevrei de introducere a coloanei de burlane (CB) în

vederea tubării puţului;

4) efectuarea operaţiei de instrumentaţie;

5) inversarea sensului de rotaţie a tobei de manevră pentru

desfăşurarea porţiunii de cablu uzat de pe ea cu scopul înlocuirii

sale;

6) inversarea sensului de rotaţie a prăjinii de antrenare, prin

existenţa unui angrenaj cilindric în cadrul troliului de foraj, în

cazul IF cu mod de acţionare centralizat;

7) realizarea avansului automat al sapei şi salvarea Gar.F, prin

folosirea unui dispozitiv special;

8) ridicarea şi coborârea mastului, la IF transportabile pe cale

terestră, pe subansambluri;

9) efectuarea operaţiei de lăcărit al sondei, dacă troliul de foraj

conţine şi o tobă de lăcărit.

Manevra Gar.F constă din manevra de extragere din sondă a

acesteia, pentru extragerea sapei uzate, şi manevra de introducere a ei,

împreună cu sapa nouă. La IF clasice, aceste operaţii se execută în cicluri de

ridicare şi, respectiv, de coborâre a Gar.F pe lungimea unui pas de prăjini.

La IF neconvenţionale, cu tubing înfăşurat („drilling rigs with coil tubing”,

în lb. en.), manevra se realizează în mod continuu, prin înfăşurarea

materialului tubular (tubingului) şi, respectiv, desfăşurarea lui de pe o tobă

de diametru foarte mare.

Componenţa SM reiese din fig. 5.1 (vezi şi subcap. 4.4). Astfel, se

pot pune în evidenţă următoarele părţi componente: echipamentul de

acţionare (Eq.A), lanţul cinematic de însumare a puterii motoarelor

(LCÎPM), troliul de foraj (TF), care include lanţul cinematic (LC) al SM, şi

maşina macara-geamblac (M-G), împreună cu chiolbaşii (Ch) şi elevatorul

(El). Arborele caracteristic al SM este arborele tobei de manevră (a.TM).

Maşina de lucru este ansamblul TM-M-G. Acest ansamblu transformă

186

mişcarea de rotaţie a TM, transmisă de la motor/motoare, prin LCÎPM şi LC

al SM, în mişcare de translaţie pe verticală (mişcare de ridicare) a cârligului

(C) şi, bineînţeles, a elevatorului (El), încărcat cu Gar.F sau CB. Sarcina

utilă de la cârlig ( 'F ) este preluată prin elevator (El) şi chiolbaşi (Ch) de

maşina M-G, este transferată mastului (MA), prin geamblacul de foraj (GF),

şi astfel, prin demultiplicare, este preluată de ramura activă (RA) a cablului

de manevră.

Fig. 5.1. Schema SM al unei IF cu acţionare electrică, de tipul DEWL, EC sau DEC, cu

motoare de curent continuu (c.c.): M – motor electric de c.c., LCÎP.M – lanţ cinematic de

însumare a puterii motoarelor; LC – lanţ cinematic al SM; TF – troliu de foraj; CV – cutie

de viteze; 2CCn – dublu cuplaj cu caneluri; FI – frână inerţială; CB – cuplaj cu burduf; AD

– ambreiaj cu discuri; An.a.TM – ansamblu al arborelui tobei de manevră; TM – tobă de

manevră; DTM – diametrul TM; LTM – lungimea activă a TM; a.TM – arbore al TM; AOÎ –

ambreiaj operaţional de încet (al TM); AVB – ambreiaj ventilat cu burduf; AOR – ambreiaj

operaţional de repede (al TM); Lm.C – limitator de cursă a macaralei-cârlig (MC); FB –

frână cu bandă; CSU – cuplaj de sens unic; FE – frână electromagnetică; DAAS –

dispozitiv de avans automat (al sapei) şi salvare a Gar.F; TL – tobă de lăcărit; RA – ramură

activă a cablului de manevră; GF – geamblac de foraj; Ro.A – rolă alergătoare; Ro.O – rolă

oscilantă; RM – ramură moartă a cablului de manevră; TRM – tobă a ramurii moarte;

Co.GF – coroana GF; MA – mast; ÎC – înfăşurare a cablului (dintre macara şi geamblac);

MC – ansamblu macara-cârlig; M – macara; C – cârlig; Ch – chiolbaşi; El – elevator; '

F – sarcina utilă de la cârlig

Eq.A are componenţa în funcţie de tipul de acţionare folosit: DH,

DH-M, DEC, DEA, EC, EA sau DEWL.

LCÎPM este format din două transmisii cu lanţ (tl) reducătoare,

tl (-1'.1) şi tl (-1".1), dar cu acelaşi raport de transmitere (i-1'.1 = i-1".1), prin

care se însumează puterea celor două motoare electrice la arborele 1 al LC

al SM. LC este format din două grupe de transmitere utile (GTU), prima

fiind reprezentată de cutia de viteze (CV) a SM iar a doua, de cele două

transmisii cu lanţuri, tl (2.1) şi tl (2.2), prin care mişcarea de rotaţie se

transmite la arborele TM (a.TM). În cadrul CV se utilizează un dublu cuplaj

dinţat/cu caneluri (2CCn), necesar pentru schimbarea treptelor de viteză. Pe

187

arborele 2 al LC este montată frâna inerţială (FI), cu ajutorul căreia se

opreşte mişcarea de rotaţie a acestui arbore pentru a permite decuplarea şi,

apoi, cuplarea cuplajului dinţat 2CCn. Transmisiile tl (2.1) şi tl (2.2)

transmit mişcarea la a.TM prin intermediul a două ambreiaje, ambreiajului

cu discuri (AD), pentru tl (2.1), şi ambreiajului ventilat cu burduf (AVB),

pentru tl (2.2). Aceste ambreiaje se numesc ambreiaje opraţionale ale TM.

Relaţia structurală asociată SM este:

4 2 x 2 x 1 x 1 TMaSM NN.

,

unde 1 este factorul de transmitere asociat transmisiei electrice de tipul

G.c.a.– SCRT – M (pentru acţionările DEC şi EC) sau de tipul G – M

(pentru acţionarea DEWL); 1 – factorul de transmitere asociat primei GT,

care este parazitară, fiind reprezentată fie de una din cele două transmisii,

atunci când funcţionează un singur motor, fie de ambele, în situaţia în care

funcţionează cele două motoare, transmisiile respective având acelaşi raport

de transmitere; [2] – factorul de transmitere asociat cutiei de viteze (CV); 2

– factorul de transmitere asociat celei de-a treia GT, care conţine şi arborele

caracteristic al SM, adică a.TM. Deci, la arborele TM se obţin 4 trepte de

viteză, pentru fiecare treaptă existând posibilitatea de variaţie a vitezei

unghiulare, datorită existenţei transmisiei electrice. La IF de construcţie

românească, primele două trepte se obţin prin utilizarea ambreiajului din

partea stângă a TM (dacă privim toba din faţă) iar următoarele două cu

ambreiajul din partea dreaptă, astfel că primul ambreiaj este „de încet” şi cel

de-al doilea „de repede”, transmisiile respective fiind numite şi ele la fel.

Fig. 5.2. Identificarea utilajelor aflate în componenţa SM al IF (de sus în jos): mastul;

geamblacul de foraj; cablul de manevră; macaraua; cârligul; capul hidraulic; troliul de foraj

188

Prin ansamblul TM-M-G mişcarea se transmite la cârlig. Ca urmare,

se obţin la cârlig tot patru trepte de viteze, cu posibilitatea variaţiei vitezei în

cadrul fiecărei trepte, în funcţie de modul în care se face reglarea turaţiei

motorului electric.

De la a.TM se antrenează şi limitatorul de cursă (Lm.C) a MC, care

intră în funcţiune, prin comanda debreierii ambreiajului operaţional şi, apoi,

a acţionării frânei principale cu ajutorul unui servomotor pneumatic sau

hidraulic, numai atunci când macaraua a pătruns în spaţiul de siguranţă,

pentru a preveni lovirea ei de geamblac.

Pentru desfăşurarea cablului uzat de pe TM trebuie să se inverseze

sensul de rotaţie a a.TM, ceea ce se face prin inversarea sensului curentului

de alimentare a motorului. Astfel, numărul de trepte de viteze de reversare la

a.TM este determinat de următoarea relaţie structurală:

4 2 x 2 x 1 x 1TMaRevN

..

Mişcarea de coborâre a Gar.F sau a CB nu necesită folosirea

motoarelor. De aceea, se-ntrerupe fluxul energetic dintre motoare şi arborele

TM, prin decuplarea AO respectiv, care este cuplat pentru săltarea garniturii

din pana de foraj. Astfel, în cazul operaţiei de coborâre a Gar.F sau CB, SM

cuprinde totalitatea elementelor aflate între elevator (El) şi a.TM, inclusiv

echipamentul de frânare (Eq.Fr), energia motoare fiind furnizată de câmpul

gravitaţional. În timpul introducerii în sondă a Gar.F sau CB se reglează

viteza de coborâre cu ajutorul Eq.Fr. Acesta este alcătuit dintr-o frână

principală (FP) (care este una de poziţionare sau de blocare) şi o frână

auxiliară (FA), care îndeplineşte numai rolul de reglare a vitezei de

coborâre. Cu frâna principală se poate realiza şi reglarea vitezei. În cazul

SM cu acţionare EC, DEC sau DEWL, cum este şi cel reprezentat în fig.

5.1, frâna auxiliară este de tipul electromagnetică (FE). Ea se cuplează

numai pentru coborâre cu ajutorul unui cuplaj, care poate fi de sens unic

(CSU), adică se cuplează în mod automat în situaţia în care sensul de rotaţie

a a.TM este cel de desfăşurare a cablului de pe tobă şi se decuplează dacă

sensul este invers, deci la ridicare.

În cadrul TF se poate găsi şi toba de lăcărit (TL), care se utilizează

pentru a efectua operaţia de lăcărit al sondei, în vederea punerii în producţie

a stratului productiv, după construirea sondei de foraj. Conform fig. 5.1, TL

este pusă în funcţiune prin cuplarea ambreiajului operaţional, care este de

tipul AVB, mişcarea de rotaţie fiind transmisă la arborele său de transmisia

tl (2.3). La TL se obţin 2 trepte de viteze, prin utilizarea CV, aşa cum arată

relaţia structurală următoare:

2 1 x 2 x 1 x 1 TLN .

În timpul forajului, pentru realizarea avansului continuu al sapei, cu

menţinerea în mod automat a unei forţe de apăsare pe sapă constante, se

foloseşte un dispozitiv de avans automat al sapei (DAAS). DAAS primeşte

mişcarea de la a.TM, prin tl (2.2), şi, apoi, de la arborele 2, prin tl (2.4),

cuplând un AVB. Acest dispozitiv îndeplineşte rolul de frânare a mişcării de

coborâre a Gar.F, prin intermediul unui grup de frânare, alcătuit dintr-un

angrenaj planetar, două tl cu rapoarte de transmitere diferite şi o pompă

hidrostatică. DAAS este echipat şi cu un mecanism de acţionare pentru

189

ridicarea Gar.F şi, deci, a sapei de pe talpa sondei, în cazul ieşirii

accidentale din funcţiune a motoarelor de c.c. (care acţionează SM şi SR),

îndeplinind, astfel, funcţia de salvare a Gar.F. De aceea, acest dispozitiv se

numeşte dispozitiv de avans automat (al sapei) şi salvare (a Gar.F).

GF, care este partea fixă a maşinii M-G, se montează pe nişte grinzi

ce formează coroana geamblacului (Co.GF), fixată în vârful mastului.

Mastul (MA), de tipul A sau U, este structura metalică de rezistenţă care are

rolul de a prelua sarcina aplicată axului GF şi alte sarcini rezultate din

sprijinirea stivei de paşi de prăjini la deget.

În fig. 5.2 sunt identificate utilajele principale ale SM: mastul

geamblacul de foraj (GF), cablul de manevră (CM), macaraua (M), cârligul,

capul hidraulic/ top drive-ul şi troliul de foraj (TF).

Masa rotativă (MR) nu intră în componenţa strictă a SM, dar are un

rol important în timpul manevrei, prin faptul că susţine Gar.F, prin

intermediul pătraţilor mari şi al penelor de foraj, sau coloana de burlane

(CB), prin intermediul broaştei cu pene (B.P). MR intră în categoria

echipamentului de foraj (Eq.F), fiind tratată ca atare d.p.d.v. al cerinţelor de

proiectare, construcţie şi control al calităţii.

În schimb, capul hidraulic (CH) şi top drive-ul (TD) sau capul

hidraulic-motor/ de putere („power swivel”, în lb. en.) sunt considerate

utilaje componente ale echipamentului de ridicare/ manevră („hoisting

equipment”, în lb. en.) şi ale echipamentului de foraj.

Mărimile fizice definitorii/proprii ale SM sunt mărimile ce

caracterizează utilajele principale aflate în componenţa acestui sistem: TF şi

maşina M-G. Cu ajutorul lor se nominalizează şi se tipizează/standardizează

aceste utilaje şi unele din elementele lor componente.

Mărimile fizice definitorii ale SM pot fi grupate în categoriile:

– mărimi funcţionale;

– mărimi dimensional-constructive;

– mărimi de anduranţă,

respectiv în:

– mărimi principale;

– mărimi auxiliare.

Mărimile fizice definitorii principale ale SM sunt:

– sarcina maximă utilă de la cârlig ( 'F M );

– viteza minimă (vC.m) şi cea maximă (vC.M) de ridicare a cârligului;

– forţa maximă din RA (FM);

– viteza minimă (um) şi cea maximă (uM) de înfăşurare a cablului

pe TM.

Mărimile fizice definitorii secundare ale SM sunt:

– numărul de role de la macara (z);

– diametrul cablului (dC);

– sarcina minimă de rupere a cablului (Sr.m);

– lungimea activă a TM (LTM), respectiv numărul de valuri active

de cablu înfăşurat pe tobă (v);

– momentul capabil (de cuplare maxim) al AOÎ (MAOÎ.M);

– momentul de frânare maxim dezvoltat de frâna principală

(MFP.M);

190

– diametrul activ maxim al rotorului frânei hidraulice (DFH);

– durabilitatea cablului, a rulmenţilor arborelui TM, a arborelui

TM

etc.

Vezi filmul video: „Overview Hoisting Equipment in Oil & Gas”,

care poate fi accesat cu link-ul:

http://www.youtube.com/watch?v=RBnXQS6I2cs&feature=player_detailpa

ge.

5.2. Maşina macara-geamblac

Maşina macara-geamblac (M-G) (vezi fig. 5.3) este un sistem de

scripeţi, reprezentat de un ansamblu fix de role/roţi, montat pe nişte grinzi în

vârful turlei, denumit geamblac, şi un ansamblu mobil de role/roţi, numit

macara, cu o înfăşurare a cablului (ÎC) de manevră între ele. Un capăt al

cablului este înfăşurat pe o tobă de manevră, fiind numit ramură activă, iar

celălalt capăt este fixat pe o tobă fixă/ ancoră – toba capătului fix/ mort

(TCM) – şi este denumit ramură moartă (RM). După înfăşurarea pe TCM,

cablul este înfăşurat pe o tobă (a cablului) de rezervă (TCR). De pe această

tobă, cablul este tras în cadrul M-G, pentru a completa porţiunea dinspre RA

care a fost tăiată, în situaţia în care s-a uzat şi nu mai prezintă siguranţă.

Fig. 5.3. Maşina macara-geamblac (M-G), împreună cu toba de manevră (TM),

toba capătului mort (TCM) şi toba cablului de rezervă (TCR)

Funcţiunile maşinii macara-geamblac (M-G) sunt:

1) efectuarea manevrei garniturii de foraj (Gar.F), pentru înlocuirea

sapei uzate cu alta nouă şi pentru introducerea şi extragerea

carotierei mecanice;

http://www.youtube.com/watch?v=RBnXQS6I2cs&feature=player_detailpage

http://www.youtube.com/watch?v=RBnXQS6I2cs&feature=player_detailpage

191

2) susţinerea Gar.F în timpul forajului, pentru realizarea forţei de

apăsare pe sapă (FS);

3) efectuarea manevrei de introducere a coloanei de burlane (CB),

în vederea tubării puţului;

4) efectuarea operaţiei de instrumentaţie.

Lungimea totală a cablului de manevră înfăşurat în cadrul M-G este

în funcţie de înălţimea turlei şi numărul de role de la macara (z), respectiv

de numărul de ramuri dintre macara şi geamblac, care este 2∙z, şi poate varia

între 198 m şi 533 m.

În fig. 5.4 se prezintă schema desfăşurată a maşinii macara-geamblac

(M-G) cu înfăşurarea cablului (ÎC) şi forţele care iau naştere în ramurile

acestei înfăşurări.

Fig. 5.4. Schema desfăşurată a maşinii M-G cu indicarea forţelor din ramurile înfăşurării

cablului: TM – arborele tobei de manevră; RA – ramura activă; GF – geamblac de foraj;

Ro.A – rola alergătoare; Ro.O – rola oscilantă; a.GF – axul geamblacului; ÎC – înfăşurarea

cablului dintre macara şi geamblac; RM – ramura moartă; TRM – toba ramurii moarte; MC

– ansamblul macara-cârlig; a.M – axul macaralei; Cr – cârlig Se consideră că macaraua are z role, notate cu numere pare [2, 4, ...,

2i, ..., 2(z-1), 2z] şi, ca urmare, geamblacul z+1 role, notate cu numere

impare (1, 3, 5, ..., 2i-1, 2i+1, ..., 2z-1, 2z+1).

Astfel, rola oscilantă (Ro.O), peste care trece RM, este rola de

ordinul 1 iar rola alergătoare (Ro.A), peste care trece RA, este rola de

ordinul 2z+1. Deci, ÎC dintre macara şi geamblac conţine 2·z ramuri, notate

cu 1, 2, ..., 2z. În afară de acestea, există RM, notată cu 0, şi RA, notată cu

2z+1. Astfel, numărul total de ramuri de cablu este 2·z+2.

192

Observaţie. Denumirea de rolă alergătoare (Ro.A) provine de la

faptul că această rolă a GF are viteza unghiulară cea mai mare, pe când rola

oscilantă (Ro.O) are viteza nulă, ea efectuând o mişcare de oscilaţie din

cauza elasticităţii cablului şi a variaţiei sarcinii.

S-au notat forţele din ramurile cablului cu Tj, j = 0, 1, 2, ..., 2z+1.

Forţele din aceste ramuri sunt diferite de la o ramură la alta şi în

funcţie de operaţia care se execută: ridicare (r), coborâre (c) şi repaus (cazul

static) (s).

Astfel, la ridicare, forţele din ramurile ÎC cresc dinspre RM spre

RA, forţa cea mai mare acţionând în RA (fig. 5.5):

FTTTTTT rzrzrjrjrr ...... ...... 122110 , (5.1)

fiind satisfăcută legea de variaţie

rj

rj TT .. 0 , (5.2)

unde forţa din RM este dată de expresia

rzrT F.

1

120 , (5.3)

rF fiind forţa totală de la cârlig la ridicare.

Pentru j = 2z+1, se obţine forţa din ramura activă la ridicare:

rz

z

rzTF F.

1

12

2

12 . (5.4)

Fig. 5.5. Diagrama de distribuţie a forţelor din ramurile ÎC, în cele trei cazuri:

ridicare (r), static (s) şi coborâre (c)

În repaus (cazul static), toate forţele din ramurile ÎC sunt egale (vezi

fig. 5.5):

sszszss FTTTT .... ... 12210 (5.5)

şi satisfac relaţia

z

FTT sssjs

20

F.. , (5.6)

193

ceea ce înseamnă că forţa totală de la cârlig statică ( sF ) este demultiplicată

de 2·z ori.

La coborâre, forţele din ramurile ÎC descresc dinspre RM spre RA,

deci cea mai mare forţă apare în RM (fig. 5.5):

cczczcjcjcc FTTTTTT ...... ...... 122110 , (5.7)

legea de variaţie fiind de forma

j

ccj

TT

.

.

0 , (5.8)

în care relaţia dintre forţa din RM la coborâre şi sarcina totală de la cârlig se

exprimă astfel

cz

z

cT F.

1

12

2

0 . (5.9)

Forţa din ramura activă la coborâre rezultă din (5.8) şi (5.9), pentru j

= 2z+1, sub forma:

czczc TF F.

1

1212 . (5.10)

În formulele de mai sus, s-a notat cu β inversul randamentului unei

role (Ro) (fie de macara, fie de geamblac):

Ro

1

. (5.11)

Conform normelor API, se admite în calcule β = 1,04, adică se

consideră situaţia cea mai dezavantajoasă d.p.d.v. al uzurii rulmentului rolei

(ηRo = 0,96).

Se menţionează faptul că randamentul rolei (ηRo) a fost considerat

acelaşi, indiferent de sensul de rotaţie a rolei şi de sarcina care o preia, el

având valorile în domeniul [0,96; 0,98], ceea ce înseamnă că β [1,02;

1,04].

Folosind expresia de definiţie a randamentului maşinii M-G:

c

uGM

L

L , (5.12)

în care Lu este lucrul mecanic util iar Lc – lucrul mecanic consumat, rezultă

următoarele formule:

GM

r

zF

2

F; (5.13)

cGM

cc

zF

2

F, (5.14)

care determină forţa din RA la ridicare şi, respectiv, la coborâre, în funcţie

de randamentul acestei maşini la ridicare, respectiv, la coborâre. Din aceste

relaţii, se deduc formulele de calcul al randamentului maşinii M-G în cazul

operaţiei de ridicare:

12

12

2

z

z

GMz

(5.15)

194

şi, respectiv, în cazul operaţiei de coborâre:

112

2

z

cGM

z. (5.16)

Se constată că există inegalitatea:

c

GMGM , (5.17)

care se explică prin faptul că maşina M-G este nesimetrică. Din cauza

nesimetriei acestei maşini, distribuţia forţelor din ramurile ÎC, la ridicare şi

la coborâre, este diferită.

Rezultă că cea mai mare forţă din ÎC apare în RA, la ridicarea celei

mai mari sarcini, conform expresiei:

GM

MM

zF

2

F, (5.18)

unde MF este forţa totală maximă de la cârlig.

Această forţă se foloseşte pentru alegerea cablului de manevră.

Forţa maximă care apare în RM a cablului se foloseşte pentru

alegerea aparatului indicator al sarcinii de la cârlig (AIS) (drillometrului), al

cărui traductor se montează pe RM. Ea este dată de expresia:

MzMrM TT F...

1

1200 . (5.19)

Fig. 5.6. Schema desfăşurată a maşinii M-G cu precizarea sensului de deplasare a cârligului

(vr), ramurilor înfăşurării cablului (ÎC) şi al mişcării de rotaţie a tobei de manevră (ωTM),

rolelor macaralei (ω2i) şi geamblacului (ω2i+1), la operaţia de ridicare

195

Vitezele ramurilor înfăşurării cablului, vj, j {0, 1, 2, ..., 2z+1},

vitezelor unghiulare ale rolelor macaralei (M), ω2i, i {0, 1, 2, ..., z}, şi cele

ale geamblacului de foraj (GF), ω2i+1, i {0, 1, 2, ..., z}, sunt diferite în

timpul mişcării macaralei.

În fig. 5.6 este reprezentată schema desfăşurată a maşinii M-G, cu

indicarea acestor viteze.

Legea de distrbuţie a vitezelor de deplasare a ramurilor ÎC este dată

de dubla egalitate:

122 2 iri vviv , zi ..., 2, 1, 0, , (5.20)

conform căreia vitezele ramurilor de cablu care se înfăşoară pe rolele

macaralei se distribuie liniar în funcţie de numărul de ordine al rolei

macaralei, i = 1, 2, 3, ..., z, iar vitezele ramurilor de cablu ce se-nfăşoară pe

aceeaşi rolă a GF sunt egale. Această lege este reprezentată în fig. 5.7.

Fig. 5.7. Diagrama de distribuţie a vitezelor de deplasare a ramurilor din ÎC

Pentru i = z, relaţia de mai sus se scrie astfel:

uvvzv zrz 122 2 , (5.21)

care arată că RA se deplasează cu viteza cea mai mare faţă de celelalte

ramuri. Această relaţie pune în evidenţă dependenţa dintre viteza de

înfăşurare a cablului pe toba de manevră (TM), viteza ramurii 2z+1, notată

cu u, şi viteza de ridicare a cârligului,

rvzu 2 . (5.22)

Deci, viteza RA este demultiplicată la cârlig cu de două ori numărul de role

de la macara, conform raportului de transmitere a mişcării în cadrul maşinii

M-G:

zu

vi r

GM

2

1. (5.23)

Vitezele unghiulare ale rolelor GF, ω2i+1, i {0, 1, 2, ..., z}, satisfac

următoarea lege de distribuţie:

R

vi r

i 212 , zi ..., 2, 1, 0, , (5.24)

care arată că rolele GF se rotesc cu viteze unghiulare diferite, şi anume

crescătoare dinspre RM spre RA. Astfel, rola pe care se-nfăşoară RM are

196

viteza unghiulară nulă, pe când rola peste care trece RA se roteşte cu cea

mai mare viteză. De aceea, rola peste care trece RA se numeşte rolă

alergătoare (Ro.A).

Vitezele unghiulare ale rolelor de la macara, ω2i, i {1, 2, ..., z}, se

determină cu relaţia:

R

vi r

i 122 , zi ..., 2, 1, , (5.25)

care exprimă legea de distribuţie a vitezelor de rotaţie a rolelor macaralei.

Comparând cele două legi de distribuţie, se constată că există inegalitatea:

ii 212 . (5.26)

Având în vedere faptul că atât rolele macaralei, cât şi cele ale GF se

rotesc cu viteze unghiulare diferite, montarea lor trebuie să se facă în mod

independent, pe câte un rulment, pe axul macaralei, respectiv al GF.

Din cauza vitezelor unghiulare diferite şi datorită încărcărilor

diferite, rezultate din forţele din ramurile ÎC, rolele macaralei şi GF sunt

supuse unei uzuri neuniforme şi, ca urmare, durabilitatea rulmenţilor pe care

se montează aceste role se reduce în mod diferit în timpul funcţionării

maşinii M-G.

Legea de distribuţie a vitezelor ramurilor de cablu este valabilă atât

la ridicare, cât şi la coborâre.

5.3. Cablul de manevră

Cablul („Wire rope”, în lb. en.) reprezintă un ansamblu de fire

metalice foarte rezistente, înfăşurate elicoidal între ele, cu scopul de a lucra

solidar la întindere. Deci, cablul este construit în mod special pentru a prelua

sarcini de tracţiune.

Cablul de manevră (CM) („Running cable/ Running wire rope”, în

lb. en.) este un cablu compus, dublu, adică un cablu alcătuit dintr-un strat de

toroane înfăşurate în jurul unei inimi, care poate să fie vegetală sau metalică.

a b c

Fig. 5.8. Secţiuni transversale prin toroane de cablu compound:

a – Seale, cu d0 > d2 > d1 ; b – Filler, cu d2 = d1 şi d3 < d1;

c – Warrington, cu d1 = d0 şi d2 > d1 > d3

Toronul (T) sau viţa (V) (vezi fig. 5.9) este un ansamblu de fire

metalice aşezate într-un strat sau în mai multe straturi, înfăşurate elicoidal în

jurul unui fir central sau unei inimi.

Cablurile de construcţie combinată (Compound) (vezi fig. 5.9) sunt

cablurile în care toroanele conţin sârme cu diametrul de măsuri diferite.

Există trei tipuri de cabluri compound care se utilizează în industria

petrolieră drept cabluri de manevră:

197

o Seale;

o Warrington;

o Filler;

o combinaţii între tipurile de mai sus.

Acestea se deosebesc prin construcţia toronului (vezi fig. 5.8).

Fig. 5.9. Cablul (Wire Rope) dublu, de construcţie combinată (Compound):

cu inimă vegetală (sus, în stânga) şi cu inimă metalică, sub forma unui toron

(sus, în dreapta); componenţa cablului (jos): inimă (Core), toron (Strand),

fir central (Center) şi sârme (Wires), înfăşurate elicoidal, în straturi, în jurul

firului central

Fig. 5.9 ilustrează construcţia cablului de manevră, cu inimă vegetală

(sus, în stânga) şi metalică (sus, în dreapta), împreună cu părţile sale

componente: inima („core”, în lb. en.) şi toronul („strand”, în lb. en.). De

asemenea, se arată alcătuirea toronului: un fir central („center wire”, în lb.

en.) şi straturi de fire („wires”, în lb. en.), înfăşurate elicoidal în jurul firului

central.

Prin cablare se înţelege modul de înfăşurare a firelor în toron şi a

toroanelor în cablu. Înfăşurarea sârmelor în toron şi a toroanelor în cablu se

poate realiza:

spre dreapta şi se notează cu litera Z (vezi fig. 5.10.a);

spre stânga şi se notează cu litera S (vezi fig. 5.10.b).

Atunci, se pot deosebi următoarele tipuri de cablări:

cablare paralelă, caracterizată prin faptul că atât firele în toron,

cât şi toroanele în cablu se înfăşoară în acelaşi sens (spre dreapta

sau spre stânga);

cablare în cruce, în care firele se înfăşoară într-un sens iar

toroanele în sens invers.

198

Astfel, există:

cablare paralelă dreapta, notată cu Z/Z (conform fig. 5.10.e);

cablare paralelă stânga, notată cu S/S (vezi fig. 5.10.f);

cablare în cruce dreapta, notată cu S/Z, în care firele se înfăşoară

în toron spre stânga iar toroanele în cablu spre dreapta (vezi fig.

5.10.b);

cablare în cruce stânga, notată cu Z/S, în care firele se înfăşoară

în toron spre dreapta iar toroanele în cablu spre stânga (vezi fig.

5.10.a).

a b

c d

e f

Fig. 5.10. Cablarea: a – înfăşurarea spre dreapta; b – înfăşurarea spre stânga;

c – cablarea în cruce stânga (Z/S); d – cablarea în cruce dreapta (S/Z);

e – cablarea paralelă dreapta (Z/Z); f – cablarea paralelă stânga (S/S)

La cablurile cu cablare paralelă există tendinţa de răsucire a unui

capăt al cablului faţă de celălalt, ceea ce constituie un dezavantaj în

comparaţie cu cablarea în cruce. De aceea, pentru cablurile de manevră

(CM) se foloseşte cablarea în cruce.

Mărimile caracteristice ale cablului sunt:

1) diametrul nominal (dC), care reprezintă diametrul cercului

circumscris toroanelor;

2) aria brută a secţiunii transversale, determinată de relaţia

4

2C

b

dA

; (5.27)

3) aria netă a secţiunii transversale, exprimată prin relaţia

Sn

jjjfTn dnnA

0

2

4. , (5.28)

unde nf.j este numărul de fire din stratul de ordinul j, inclusiv firul

central, nf.0 = 1, dj – diametrul firelor din stratul j, nS – numărul

de straturi de fire dintr-un toron;

4) coeficientul de desime, definit prin expresia

b

nd

A

Ak , (5.29)

care se observă că este subunitar (kd < 1); de exemplu, la

cablurile Seale, kd ≤ 0,5;

5) coeficientul de flexibilitate, definit cu formula

199

j

j

Cf

d

dk

min , (5.30)

în care

jj

dmin reprezintă diametrul minim al firelor din toron,

kf > 1; de exemplu, în cazul cablului Seale 6 x 19

1min dd jj

; (5.31)

6) pasul înfăşurării (p), care este distanţa măsurată paralel cu axa

cablului, între două puncte consecutive, în care o spiră întâlneşte

aceeaşi generatoare a cilindrului pe care-l reprezintă cablul sau

toronul; deci, se deosebesc: pasul înfăşurării sârmelor în toron,

notat cu pj, unde indicele j arată numărul de ordine al stratului de

sârme, şi pasul înfăşurării toroanelor în cablu, notat cu pT, care

trebuie să îndeplinească condiţiile

Tj dp 12 şi CT dp 8 ; (5.32)

7) unghiul de înfăşurare a sârmelor în toron (φj);

8) unghiul de înfăşurare a toroanelor în cablu (ψ);

9) rezistenţa minimă de rupere a firelor, care este foarte mare

datorită materialului din care se confecţionează (oţel carbon, cu

procent ridicat de carbon, sau oţel carbon aliat), dar, mai ales,

procedeului tehnologic de realizare a firelor, şi anume trefilării

(tragerii); astfel, conform STAS 1689-80 (vezi tabelul 5.2), se

realizează cabluri Seale 6 x 19 cu

Rm {1 370; 1 570; 1 760; 1 960}·MPa;

conform API Spec. 9A [5.4], se prevăd patru tipuri de oţeluri din

care se confecţionează firele/ sârmele cablurilor de manevră

(vezi tabelul 5.1), notate cu PS (Plow Steel = oţel carbon?), IPS

(Improved Plow Steel = oţel carbon îmbunătăţit/ oţel slab aliat?),

EIPS (Extra Improved Plow Steel = oţel carbon îmbunătăţit

special/ oţel slab aliat special/ de rezistenţă mare?) şi EEIPS

(Extra Extra Improved Plow Steel = oţel carbon îmbunătăţit

foarte special/oţel slab aliat foarte special/ de rezistenţă foarte

mare?).

Tabelul 5.1. Rezistenţa la rupere a firelor/ sârmelor

confecţionate din trei tipuri de oţeluri, conform

API Spec. 9A [5.4]

Simbol Rm, MPa

PS (Plow Steel) 1570 ÷ 1760

IPS (Improved Plow Steel) 1770 ÷ 1960

EIPS (Extra Improved PlowSteel) 1970 ÷ 2150

10) sarcina teoretică de rupere a cablului, definită ca sumă a

sarcinilor minime de rupere a sârmelor active aflate în

componenţa cablului, definită ca sumă a sarcinilor minime de

rupere a sârmelor active aflate în componenţa cablului, adică

nmt ARS ; (5.33)

200

11) sarcina reală de rupere a cablului, determinată de relaţia

următoare:

tSr SkS , (5.34)

unde kS este coeficientul de cablare (kS < 1), care evidenţiază

pierderea de rezistenţă

pe care o suferă cablul prin cablare şi care are valorile 0,86,

pentru cablurile Seale 6 x 19, şi, respectiv, 0,84, pentru cablurile

Seale 6 x 31 şi cablurile Warrington 6 x 36, conform STAS

1689-80;

12) modulul de elasticitate al cablului, care se poate aprecia cu

formula

EkE EC , (5.35)

unde E reprezintă modulul de elasticitate al oţelului din care se

confecţionează sârmele, pentru care se admite măsura 2,1·105

MPa, iar kE – coeficientul de reducere a modulului de elasticitate

datorită cablării (kE < 1);

13) alungirea elastică a cablului.

Tabelul 5.2. Parametrii caracteristici ai cablurilor Seale 6 x 19, conform STAS 1689-80

Diame-

trul no-

minal

dC, mm

Diametrul sârmelor Aria

netă

a sec-

ţiunii

trans-

versale

An,

mm2

Sarcina reală minimă de rupere (Sr.m),

în kN, pentru sârme cu rezistenţa

minimă de rupere (Rm), în MPa Masa

unitară

m1.C,

kg/m

Cen-

trale

d0,

mm

Inter-

medi-

are

d1,

mm

Exte-

rioare

d2,

mm

1 370 1 570 1 760 1 960

18 1,70 0,80 1,40 123,89 140,14 157,10 176,51 – 1,151

22 2,00 1,00 1,80 198,68 225,77 252,42 283,26 – 1,848

25 2,30 1,10 2,00 254,90 289,14 323,91 363,63 – 2,287

28 2,50 1,20 2,20 295,80 336,43 375,98 421,14 448,97 2,641

32 3,00 1,45 2,60 418,28 474,75 531,32 598,40 634,87 3,890

35 3,20 1,60 2,80 489,33 555,97 621,34 699,02 742,72 4,549

38 3,60 1,90 3,10 621,96 705,88 789,03 891,43 944,02 5,777

44 4,20 2,10 3,60 774,36 879,01 979,65 1067,94 1175,34 7,211

Tabelul 5.3. Parametrii caracteristici ai cablurilor 6 x 19, cu inimă textilă (FC),

conform API Spec. 9A [5.4]

Diametrul

nominal

(dC)

Sarcina reală minimă de rupere (Sr.m) Masa

unitară

(m1.C)

6 x 21 Filler Wire FC (fig. 5.11)

PS IPS EIPS

in mm kN lb kN lb kN lb kg/m

⅞ 22,2 249 56000 286 64400 315 70800 1,92

1 25,4 324 72800 372 83600 409 92000 2,50

1⅛ 28,6 407 91400 468 105200 514 115600 3,17

1¼ 31,8 500 112400 575 129200 632 142200 3,91

1⅜ 34,9 – – 691 155400 760 171000 4,73

1½ 38,1 – – 818 184000 898 202000 5,63

1⅝ 42,0 – – 952 214000 1050 236000 6,61

1¾ 45,0 – – 1100 248000 1220 274000 7,66

1⅞ 48,0 – – 1250 282000 1390 312000 8,80

2 50,8 – – 1420 320000 1560 352000 10,00

201

Este nevoie de cunoaşterea constantei elastice a CM pentru

efectuarea studiului elasto-dinamic al SM, deoarece cablul reprezintă

elementul cel mai elastic al acestui sistem.

În tabelul 5.2 se prezintă unii parametri ai cablurilor Seale 6 x 19, în

conformitate cu STAS 1689-80, iar în tabelul 5.4 parametrii cablurilor de

acelaşi tip, dar după API Spec. 9A [5.4].

Aşa cum se constată din analiza parametrilor prezentaţi în tabelele de

mai jos, pentru aceeaşi măsură a diametrului nominal, cablurile Seale

realizate conform STAS 1689-80 au sarcina minimă de rupere mai mică

decât cablurile de acelaşi tip realizate, însă, după API Spec. 9A.

6 x 19 Seale IWRC 6 x 21 Filler Wire FC

6 x 25 Filler Wire IWRC 6 x 26 Warrington Seale IWRC

Fig. 5.11. Clasificarea 6 x 19, conform API Spec. 9A [5.4]

Tabelul 5.4. Parametrii caracteristici ai cablurilor din clasificarea 6 x 19, cu

inimă independentă din cablu (IWRC), conform API Spec. 9A [5.4] (fig. 5.1)

Diametrul

nominal

(dC)

Sarcina reală minimă de rupere (Sr.m) Masa

unitară

(m1.C)

6 x 19 Seale IWRC; 6 x 25 Filler Wire IWRC;

6 x 26 Warrington Seale IWRC

IPS EIPS EEIPS

in mm kN lb kN lb kN lb kg/m

⅞ 22,2 308 69200 354 79600 389 87600 2,11

1 25,4 400 89800 460 103400 506 113800 2,75

1⅛ 28,6 503 113000 678 130000 636 143000 3,48

1¼ 31,8 618 138800 711 159800 782 175800 4,30

1⅜ 34,9 743 167000 854 192000 943 212000 5,21

1½ 38,1 880 197800 1010 228000 1112 250000 6,19

1⅝ 42,0 1020 230000 1170 264000 1300 292000 7,26

1¾ 45,0 1180 266000 1360 306000 1500 338000 8,44

1⅞ 48,0 1350 304000 1550 348000 1710 384000 9,67

2 50,8 1630 344000 1760 396000 1930 434000 11,00

Conform STAS 1689-90, semnul grafic de nominalizare a cablului

Seale este:

Cablu Seale nT × nf – w(dC) – w(Rm) SZ/ZS,

unde [dC] = mm, [Rm] = MPa.

202

Cablul de manevră (CM) se alege în funcţie de sarcina minimă de

rupere (Sr.m), conform relaţiei:

FcS mr . , (5.36)

unde F este cea mai mare forţă din ramura activă (RA), considerată pentru

operaţiile de tubare, de instrumentaţie şi lansare în mare a raizerului marin

(Rz.M) sau pentru operaţia de manevră a Gar.F, iar c – coeficientul de

siguranţă respectiv.

Astfel, pentru operaţiile de tubare şi de instrumentaţie, condiţia de

alegere a cablului este:

MMmr FcS . , (5.37)

deoarece forţa cea mai mare din ramura activă este forţa maximă (FM), dată

de (5.17), iar c, notat cu cM, se admite egal cu valoarea 2 (conform API

Spec. 9B [5.5]),

2Mc . (5.38)

FM este determinată de sarcina maximă totală de la cârlig ( MF ) care

acţionează asupra celor 2∙z ramuri de cablu dintre macara şi geamblac (vezi

cap. 3)

g

aG

MC

TMM 10.

'FF . (5.39)

Pentru operaţia de manevră a Gar.F, condiţia de alegere a cablului se

scrie în felul următor:

nnmr FcS . , (5.40)

pentru că forţa cea mai mare din RA este forţa corespunzătoare sarcinii

normale (Fn) şi coeficientul de siguranţă notat cu cn se admite egal cu

valoarea 3 (conform API Spec. 9B [5.5]),

3nc . (5.41)

Fn se obţine cu formula:

GM

nn

zF

2

F, (5.42)

unde nF este forţa normală totală care solicită cele 2∙z ramuri (vezi cap. 3)

g

aG

n

C

nnn 10.

'FF . (5.42)

În cadrul maşinii de lucru a SM, reprezentate de toba de manevră

(TM) şi maşina macara-geamblac (M-G), cablul este înfăşurat pe tobă (TM),

pe rolele geamblacului şi ale macaralei, aşa încât el este solicitat nu numai la

tracţiune, datorită sarcinii totale, dar şi la încovoiere. Ca urmare, tensiunea

totală/ rezultantă (σ) care ia naştere într-o secţiune oarecare a cablului

înfăşurat pe un organ de lucru (tobă sau rolă) este suma tensiunilor de

tracţiune (σt) şi de încovoiere (σi):

it . (5.43)

203

Tensiunea de tracţiune se determină în funcţie de forţa din ramura

respectivă (T) cu formula:

n

tA

T (5.44)

iar tensiunea de încovoiere cu expresia

f

eCi

D

dE , (5.45)

unde Df este diametrul de fund al rolei şi de – diametrul sârmelor din stratul

exterior.

Rezultă că trebuie să se aleagă un diametru de fund al rolelor de

macara şi geamblac şi al manşonului spiralel al tobei de manevră (TM) cât

mai mare, pentru a limita tensiunea de încovoiere a cablului înfăşurat. Dacă

diametrul de înfăşurare a cablului nu este îndeajuns de mare, tensiunea de

încovoiere poate deveni chiar mai mare decât tensiunea de tracţiune, pentru

care, de altfel, este construit cablul.

De aceea, pentru a limita măsura tensiunii de încovoiere care solicită

cablul înfăşurat, se alege (conform lui Bach) [5.3]

ef dD 700 ,500 (5.46)

sau [5.3]

Cf dD 23 , (5.47)

unde unitatea de măsură pentru mărimile care intervin în aceste relaţii

empirice este mm.

Fig. 5.12. Martensita formată în zona superficială a

sârmelor din straturile exterioare ale toroanelor,

care provoacă ruperea fragilă a sârmelor [5.5]

Cablul de manevră este elementul cel mai sensibil al sistemului de

manevră (SM). El se uzează datorită:

presiunii de contact dintre sârmele exterioare şi organul de

înfăşurare (robă sau role);

presiunii de contact dintre spirele de cablu înfăşurat în cele trei

sau patru straturi pe TM;

204

frecării între spirele de cablu la desfăşurarea cablului de pe TM;

frecării RA a cablului de peretele TM, la trecerea cablului de pe

val pe altul, mai ales în timpul operaţiei de coborâre;

fragilizării materialului sârmelor exterioare, din cauza formării

martensitei în zona superficială a acestor sârme, datorită

încălzirii excesive, prin frecare, în timpul coborârii, şi răcirii în

aer (vezi fig. 5.12);

solicitărilor cablului, în mod special a porţiunii care se înfăşoară

pe TM;

fenomenului de oboseală, din cauza ciclurilor de solicitare la

încovoiere, la înfăşurarea pe role şi tobă şi desfăşurarea de pe

ele, care duce la ruperea sârmelor din straturile exterioare ale

toroanelor (vezi fig. 5.13).

Astfel, în timp, datorită acestor factori, ale căror efecte asupra

materialului sârmelor se cumulează, cablul îşi reduce durabilitatea şi apar

ruperi ale sârmelor din straturile exteriore ale toroanelor (vezi fig. 5.13).

Fig. 5.13. Sârme rupte din straturile exterioare ale

toroanelor [5.5]

Aprecierea durabilităţii cablului se face prin lucrul mecanic total

efectuat de cablu, de fapt, de RA, considerând toate operaţiile care se

desfăşoară în perioada respectivă (vezi API Spec 9B [5.5]). Acest lucru

mecanic total se compară cu lucrul mecanic limită admisibil. În situaţia în

care este depăşit lucrul mecanic maxim admisibil sau în cazul în care se

constată că s-au produs ruperi de sârme în straturile exterioare ale

toroanelor, atunci se consideră că o anumită porţiune de cablul activ nu mai

prezintă siguranţă şi se taie porţiunea respectivă, fiind înlocuită cu alta, prin

tragerea cablului de pe toba cablului de rezervă (TCR).

Cablul de manevră, uzura sa şi înlocuirea porţiunii uzate sunt

prezentate în filmul „5-4-Drilling line”, care poate fi accesat cu link-ul

http://www.youtube.com/watch?v=Bwvm1NmVj4g.

5.4. Geamblacul de foraj

Geamblacul de foraj (GF) („Crown-block”, în lb. en.) este partea

fixă a maşinii macara-geamblac (M-G), formată din roţi/role pentru cablu,

montate individual pe câte un rulment şi având aceleaşi dimensiuni ca şi

cele ale macaralei cu care lucrează, şi asamblată pe nişte grinzi, numite rama

sau coroana geamblacului, fixate în vârful turlei. Pe prima rolă a

geamblacului trece ramura activă (RA) a cablului, care se înfăşoară pe toba

de manevră (TM), iar pe ultima se înfăşoară ramura moartă (RM), care se

fixează pe toba ramurii moarte (TRM). De aceea, prima rolă se numeşte rolă

http://www.youtube.com/watch?v=Bwvm1NmVj4g

205

alergătoare (Ro.A) iar ultima rolă oscilantă (Ro.O), ea efectuând doar

oscilaţii din cauza elasticităţii cablului şi variaţiei forţei din cablu.

Mărimile fizice principale, grupate în cele trei categorii, sunt:

o mărimile funcţionale:

● sarcina maximă de lucru, care este sarcina maximă utilă de la

cârlig ( 'F M );

● sarcina maximă utilă (de la axul geamblacului), denumită

impropriu sarcina maximă de la coroana geamblacului

( '

.F GF.Ma );

o mărimile dimensional-constructive:

● numărul de role/roţi, z+1, unde z este numărul de role/ roţi

de la macara;

● diametrul exterior al rolei (De), respectiv diametrul de fund al

canalului pentru cablu (Df);

● raza canalului pentru cablu (Rc);

o mărimile de anduranţă:

● durabilitatea rulmenţilor;

● sarcina limită/ capacitatea maximă în funcţie de rulmenţi

( R.L.GFF ).

Măsurile acestor mărimi fizice principale reprezintă parametrii

principali ai GF.

Forţa/ Sarcina maximă utilă de la geamblac (GF)/ axul geamblacului

este dată de formula (care rezultă pe baza consideraţiilor din subcap. 5.1):

Mz

z

MGF FF'

.

1

12

22

. (5.48)

Pentru cazul static, rezultă relaţia următoare:

ssGFz

FF'

.

11 , (5.49)

a cărei reprezentare este arătată în fig.5.14.

Fig. 5.14. Diagrama de variaţie a raportului dintre

forţa utilă de la GF şi forţa de la cârlig, în cazul

static, în funcţie de numărul de role de la macara

Din analiza fig. 5.14 se desprind următoarele concluzii:

206

1) forţa utilă de la GF se reduce odată cu creşterea numărului de

role de la macara, astfel încât pentru z foarte mare, teoretic

infinit, sarcina de la geamblac tinde către sarcina de cârlig;

2) există un număr maxim de role, zM {7, 8, 9}, peste care

scăderea lui 'F GF este nesemnificativă, dar prin creşterea lui z se

măreşte gabaritul macaralei şi al geamblacului.

Există mai multe tipuri constructive de GF. Dintre acestea, se

amintesc:

geamblac monobloc (tipul A) (cu un singur ax, pe care se

montează rolele, în mod individual, pe câte un rulment);

geamblac bibloc (cu două axe, aşezate în linie sau în paralel, pe

care se montează rolele, de asemenea separat pe câte un

rulment);

geamblac cu o roată separată („dispersată”19

) (tipul B);

geamblac cu două roţi separate („dispersate”) (tipul C).

Există mai multe clase de echipamente. În tabelul 5.5 sunt concentrate

măsurile sarcinii maxime de lucru de la cârlig ( 'FM ), diametrului cablului de

manevră (dC) şi numărul de roţi ale geamblacurilor din cele 9 clase de

echipamente, care pot fi utilizate pentru IF terestre.

Tabelul 5.5. Măsurile sarcinii maxime de lucru de la cârlig, diametrului cablului de

manevră (dC) şi numărul de roţi (z+1) ale geamblacurilor din vele 9 clase de echipamente

Mărimea

fizică

sau

caracteristica

Unitatea

de

măsură

Clasa echipamentului de manevră (CEq)

50 80 125 200 320 450 580 680 900

'MF

kN 580 890 1340 2230 3120 4450 5790 6680 8900

US tonf 65 100 150 250 350 500 650 750 1000

dC

mm 22 25 25;

28

28;

32

32;

35

35;

38

38;

42;

44

42;

44;

45

48

in ⅞ 1 1;

1⅛

1⅛;

1¼

1¼;

1⅜

1⅜;

1½

1½;

1⅝;

1¾

1⅝;

1¾ 1⅞

z+1 – 3 4; 5 5 5; 6 6; 7 7; 8 7; 8 8 9

În tabelul 5.6 se prezintă caracteristicile geamblacurilor construite de

UPETROM 1 Mai S.A [6.9].

GF construite de UPETROM 1 Mai S.A. la ora actuală sunt tipizate

după sarcina maximă de lucru (utilă) de la cârlig, care este, deci, sarcina lor

nominală, numită sarcina maximă de lucru a geamblacului şi notată cu '

FGF.M , astfel încât semnul grafic de nominalizare al acestor GF este:

Geamblac T(z+1)–w(dC)–w(De)GFw( 'FGF.M ) (μ(T°)),

unde se indică tipul (T), numărul roţilor/ rolelor (z+1) (z fiind numărul de

role de la macara), valoarea numerică a măsurii diametrului cablului, w(dC),

valoarea numerică a măsurii diametrului exterior al roţii, w(De), simbolul

19

Termenul „roată dispersată” folosit în limbajul obişnuit nu este cel adecvat pentru a arăta

că o roată nu face parte din acelaşi ansamblu monobloc (vezi DEX). De aceea, el a fost

înlocuit cu termenul „roată separată”.

207

utilizării (GF), valoarea numerică a măsurii sarcinii maxime de lucru

w( 'FGF.M ), măsura temperaturii de lucru (μ(T°)) (în cazul temperaturii

scăzute). De exemplu,

Geamblac B(6+1)–38–1500GF–500 (–40°C)

înseamnă geamblac de foraj cu o roată separată (de tipul B), cu 6 roţi/ role

pe ax şi o roată separată, cu diametrul cablului de manevră de 38 mm,

diametrul exterior al rolei de 1500 mm, sarcina maximă de lucru şi

temperatura de lucru de –40°C. Din tabelul 5.6 se observă că acest tip de

geamblac face parte din clasa echipamentului (de manevră) 580.

Fig. 5.15. Geamblac monobloc: 1 – suport (prin care GF se montează prin şuruburi de

coroană/ ramă); 2– ax; 3 – rolă/ roată; 4 – rulment radial-axial cu role conice pe două

rânduri; 5 – disc distanţier; 6 – bucşă distanţieră; 7 – ungător cu bilă (folosit pentru ungerea

consistentă a rulmenţilor) (canalele de ungere sunt practicate în plan orizontal); 8 – placă de

presare; 9 – apărătoare

În fig. 5.15 se arată construcţia geamblacului monobloc, sub forma

unei secţiuni şi a unei vederi în planul vertical. Rolele sunt montate în mod

individual pe câte un rulment, deoarece au viteze unghiulare diferite. Se

utilizează rulmenţi speciali, de obicei, cu role conice pe două rânduri, cu

inelul interior mai lat, astfel încât sprijinul lor se face prin aceste inele. În

acest fel, rezultă un ax cu o lungime mai mică. Axul susţine rolele şi este

sprijinit la capete pe suporţi. El preia sarcina determinată de forţele din

ramurile cablului care se înfăşoară pe role, fiind supus la încovoiere.

Ungerea rulmenţilor se face cu unsoare consistentă, introdusă prin nişte

canale, cu ajutorul unor ungătoare cu bilă, montate la capetele axului. Pentru

fiecare rulment există câte un canal. Suporţii se pot fixa cu şuruburi direct

pe rama/ coroana geamblacului (care face parte din mast) sau pe un cadru

propriu geamblacului, realizat în construcţie sudată şi sprijinit de coroană.

Construcţia geamblacului cu o roată separată este ilustrată în

fotografia din fig. 5.16.

208

Tabelul 5.6. Tipurile de geamblacuri de foraj construite în România şi caracteristicile lor (cf. [6.9])

CEq Tipul

constructiv

Tipul

GF

'M.GFF ,

tf

(US tonf)

'M.GF.aF ,

tf z+1

dC,

mm

(in)

De,

mm

Df,

mm

Tipul

rulmentului GF.L.RF ,

US tonf

Masa,

t

80 C (3+2)-25-560

GF-100

100

(110) 160 5

25

(1) 560 496

125

C (3+2)-28-750

GF-125

125

(138) 160 5

28

(1⅛) 750 665 391 230 275

C (3+2)-28-1000

GF-125

125

(138) 160 5

28

(1⅛) 1000 900 57 952 347

200

A 5-28-1100

GF-200

200

(220) 250 5

28

(1⅛) 1100 1000 57 952 347

B (5+1)-28-1016

GF-200

200

(220) 250 6

28

(1⅛) 1016 57 952 416

C (4+2)-28-914

GF-200

200

(220) 250 6

28

(1⅛) 914 57 952 416

A 6-28-1100

GF-200

200

(220) 250 6

28

(1⅛) 1100 1000 57 952 416 2,465

A 6-32-1100

GF-200

200

(220) 250 6

32

(1¼) 1100 1000 57 952 416 2,050

320

B (5+1)-32-1016

GF-300

300

(330) 400 6

32

(1¼) 1016 57 952 416

A

6-32-1250

GF-300

300

(330) 400 6

32

(1¼) 1250 1140 57 952 416 2,800

A 7-32-1270

GF-300

300

(330) 400 7

32

(1¼) 1270 57 952 485

A 6-35-1250

GF-300

300

(330) 400 6

35

(1⅜) 1250 1140 57 952 416

209

Tabelul 5.6 (continuare). Tipurile de geamblacuri de foraj construite în România şi caracteristicile lor (cf. [6.9])

CEq Tipul

constructiv

Tipul

GF

'M.GFF ,

tf

(US tonf)

'M.GF.aF ,

tf z+1

dC,

mm

(in)

De,

mm

Df,

mm

Tipul

rulmentului GF.L.RF ,

US tonf

Masa,

t

450

A 6-35-1400

GF-400

400

(440) 480 6

35

(1⅜) 1400 1265 391 566 708 3,494

A 7-35-1400

GF-400

400

(440) 480 7

35

(1⅜) 1400 1265 391 566 826

580

A 7-35-1500

GF-500

500

(550) 585 7

35

(1⅜) 1500 1380 391 566 826 4,529

B (6+1)-35-1400

GF-500

500

(550) 585

6 35

(1⅜)

1400 1265 391 566 826

1 1650

A 7-38-1500

GF-500

500

(550) 585 7

38

(1½) 1500 1380 391 566 826 4,717

B (6+1)-38-1500

GF-500

500

(550) 585

6 38

(1½)

1500 1380 391 566 826

1 1650

680 B (7+1)-42-1650

GF-680

680

(750)

7 42

(1⅝)

1650

1 1830 1680

900 A 9-48-1830

GF-910

910

(1000) 1100 9

48

(1⅞) 1830 1680 T35 474 1 170

Notă: CEq – clasa echipamentului; '

M.GFF – sarcina maximă de lucru a GF (considerată ca sarcină maximă de lucru/utilă de la

cârlig); '

M.GF.aF – sarcina maximă de la axul/coroana geamblacului; z – numărul de role de la macara; dC – diametrul cablului

de manevră; De – diametrul exterior al roţii; Df – diametrul de fund al roţii; GF.L.RF – sarcina maximă/limită (L) a geamblacului

(GF) în funcţie de rulmenţi (R)

210

Fig. 5.16. Geamblac cu o roată separată

Sarcina nominală a GF trebuie să fie aceea corespunzătoare unei

clase superioare decât a macaralei.

Diametrul rolelor şi dimensiunile canalului acestora depind de

diametrul nominal al cablului de manevră utilizat. Măsurile mărimilor ce

caracterizează rolele sunt stabilite de constructor, pe baza recomandărilor

din API Spec. RP 9B [5.5].

Raportul dintre diametrul rolelor şi diametrul cablului trebuie să fie

cuprins între 30 şi 40.

Geamblacul, ca şi macaraua şi cârligul de foraj, se construieşte în

acord cu API Spec. 8A [5.6] şi 8C [5.7].

În fig. 5.17 profilul roţii. Diametrul funcţional al rolei este diametrul

fibrei mediane de înfăşurare a cablului pe rolă, exprimat de relaţia:

Cf dDD , (5.50)

unde dC este diametrul cablului iar Df – diametrul la fundul canalului, care

se admite (conform [5.5] şi [5.6])

Cef dDD 3,50 2,66; , (5.51)

De fiind diametrul exterior.

Fig. 5.17. Profilul roţii/ rolei şi dimensiunile

caracteristice: De – diametrul exterior;

Df – diametrul la fundul canalului; Rc –

raza canalului pentru cablu; dC –

diametrul cablului

Raza canalului pentru cablu (RC)

este o funcţie de diametrul cablului (dC).

Măsurile acestei raze sunt precizate în

[5.5] şi [5.6].

Raportul De/dC sau Df/dC este un criteriu de apreciere a duratei de

serviciu a cablului: cu cât acest raport este mai mare, cu atât durata de

serviciu a cablului este mai mare. De aceea, De/dC se alege în domeniul:

211

43,5 ;7,27C

e

d

D.

Alegerea lui De, respectiv Df, se bazează pe un compromis între:

cerinţa unei durate de serviciu a cablului cât mai mare, care

implică un diametru cât mai mare;

cerinţa unui moment de inerţie şi a unei mase cât mai mici

(condiţii importante din punct de vedere dinamic, ceea ce implică

un diametru cât mai mic.

Alegerea GF se face în funcţie de sarcina maximă de lucru ( 'FGF.M ),

astfel încât

'MGF.M FF

' , (5.52)

ţinând cont de gradul de transportabilitate al IF şi de tipodimensiunea de

ansamblu macara-cârlig.

În filmul video: „Oil & Gas Crown Block” este prezentat

geamblacul de foraj. Filmul poate fi accesat cu link-ul:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=K17FrtmU9

vY.

5.5. Ansamblul macara-cârlig

Macaraua (M) („Block/Travelling block”, în lb. en.)) este partea

mobilă a maşinii macara-geamblac (M-G), formată din roţi/ role de aceeaşi

construcţie ca şi rolele geamblacului, dar cu una mai puţin, montate pe un

ax, prin intermediul unor rulmenţi, astfel încât fiecare roată are o mişcare de

rotaţie independentă de a celorlalte.

Macaraua execută, mişcări de ridicare şi de coborâre pe verticală, pe

lungimea unui pas, în interiorul mastului, în timpul operaţiilor de manevră a

garniturii de foraj şi a coloanei de burlane şi a raizerului marin (vezi fig.

5.18).

Fig. 5.18. Poziţiile extreme ale macaralei, în timpul operaţiilor de manevră

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=K17FrtmU9vY

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=K17FrtmU9vY

212

Mărimile fizice principale ale macaralei (M), grupate în cele trei

categorii, sunt:


● sarcina maximă de lucru ( 'F M.M ), care este sarcina maximă

utilă de la cârlig ( 'F M );

o mărimile dimensional-constructive:

● numărul de role/ roţi, z;

● diametrul exterior al rolei (De), respectiv diametrul de fund al

canalului pentru cablu (Df);

● raza canalului pentru cablu (Rc);


● durabilitatea rulmenţilor;

● sarcina limită/ capacitatea maximă în funcţie de rulmenţi

( R.L.MF ).

Măsurile acestor mărimi fizice principale reprezintă parametrii

principali ai macaralei.

Cârligul (C ≡ Cr) („Hook”, în lb. en.) este utilajul care completează

macaraua, formând împreună macaraua-cârlig (MC) („hook-block”, în lb.

en.) sau ansamblul macara-cârlig (MC).

Cârligul îndeplineşte următoarele funcţiuni:

susţine în timpul manevrei, în umerii săi asiguraţi cu eclise,

garnitura de foraj (Gar.F), prin intermediul chiolbaşilor şi al

elevatorului de prăjini;

susţine în timpul operaţiei de tubare, în umerii săi, coloana de

burlane (CB), prin intermediul chiolbaşilor şi al elevatorului cu

pene;

susţine în timpul forajului, în gura principală/ ciocul său, Gar.F,

prin intermediul toartei capului hidraulic (CH), preluând o parte

din greutatea acesteia, deoarece restul, şi anume o parte din

greutatea ansamblului de adâncime, este lăsat pe sapă ca forţă de

apăsare;

asigură adăugarea prăjinii/ „bucăţii” de avansare în timpul

forajului fără „top-drive” (TD);

ridică diferite utilaje în timpul montajului şi demontajului

instalaţiei de foraj;

participă la operaţia de ridicare şi coborâre a mastului rabatabil,

în cazul în care rabaterea mastului se face cu sistemul „praştie”.

Mărimile principale ale cârligului, repartizate pe cele trei categorii,

sunt:


● sarcina maximă de lucru la cârlig ( 'FC.M );

o mărimile dimensionale:

● deschiderea gurii principale;

● deschiderea umerilor;

● dimensiunile de legătură (razele suprafeţelor de contact cu

ochiurile chiolbaşilor, cu toarta CH;

● lungimea cursei;

213


● durabilitatea rulmentului axial;

● durabilitatea arcurilor.

Cârligul trebuie să aibă sarcina maximă de lucru ( 'FC.M ) cel puţin

egală cu sarcina maximă utilă a IF pe care o echipează ( 'F M ), adică

''FF MC.M . (5.53)

Parametrii principali ai cârligului sunt măsurile mărimilor sale

principale.

După numărul gurilor de suspendare a sarcinii, cârligele pot fi:

simplex (cu o singură gură);

duplex (cu două guri);

triplex (cu trei guri).

Cârligele de foraj de tipul triplex au o gură principală în care se

aşează toarta CH şi două gurile laterale/doi umeri în care se agaţă ochiurile

superioare ale chiolbaşilor.

Macaralele-cârlig pentru forajul rotativ („hook-blocks for rotary

drilling”, în lb. en.) sunt standardizate în România în conformitate cu STAS

998-89. Acest standard prevede următoarele tipuri de macaralele-cârlig:

monobloc, cu simbolul MC;

cu articulaţie, cu simbolul MCA;

cu toartă, cu simbolul MT.

Macaralele (M), cârligele (C/Cr) şi ansamblurile macara-cârlig (MC)

se construiesc în acord cu API Spec. 8A [5.6] şi 8C [5.7]. Standardul de

referinţă adoptat de Eni este ISO 13535. Dimensiunile rolelor macaralei sunt

cele care corespund rolelor geamblacului, conform API Spec. 8A [5.6] şi

API Spec. RP 9B [5.5].

Fig. 5.19. Ansamblul macara-cârlig monobloc (MC)

şi capul hidraulic, în timpul forajului cu masa rotativă

Există mai multe posibilităţi de agăţare a utilajelor care se montează

de macara sau de ansamblul macara-cârlig, în timpul forajului şi al

manevrei, în funcţie de:

214

modalitatea în care se realizează forajul: cu masa rotativă (MR)

(vezi fig. 5.19) sau cu top drive (TD) (vezi fig.5.20);

construcţia top drive-ului, respectiv elementul de suspendare/

agăţare (vezi fig. 5.20 ÷ 5.22).

Fig. 5.20. Ansamblul format din macara şi top drive

Fig. 5.21. Suspendarea top drive-ului prin toarta sa de toarta

macaralei

În fig. 5.19 este arătat ansamblul MC monobloc, clasic, în timpul

forajului cu masa rotativă (MR). Macaraua este suspendată în ramurile de

cablu de foraj („drilling lines”, în lb. en.). În gura principală a cârligului este

215

agăţat capul CH („swivel”, în lb. en.), prin toarta sa („swivel bail”, în lb.

en.), iar în umerii săi au rămas suspendaţi chiolbaşii şi elevatorul de PF, care

vor fi folosiţi în timpul manevrei Gar.F.

Fig. 5.22. Altă modalitate de legătură între macara şi top drive, prin

toarte, utilizată în cazul forajului marin

Fig. 5.23. Construcţia

ansamblului-cârlig mono-

bloc: 1 – cârlig triplex; 2

– bolţ; 3 – pahar şi

rulment axial; 4 – tijă; 5–

piston; 6 – arcuri de

destindere; 7 – piesă de

legătură între ansamblul

cârligului şi macara; 8 –

axul macaralei; 9 – role;

10 – rulmenţii macaralei;

11 – plăci laterale

Fotografia

din fig. 5.20 înfăţi-

şează ansamblul for-

mat din macara (M)

şi top drive (TD),

asamblate prin inter-

mediul unor urechi şi

a unor bolţuri.

În fotografiile

din fig. 5.21 şi 5.22,

se constată că top

drive-ul este suspen-

dat de macara prin

intermediul unei

toarte, care se aşează

pe toarta macaralei.

216

a b

Fig. 5.24. Ansamblurile macara-cârlig cu articulaţie (MCA) (a) şi cu toartă (MT) (b)

Tabelul 5.7. Corespondenţa dintre clasa

echipamentului de manevră (CEq) şi tipul

macaralei-cârlig, conform STAS 998-89

CEq 50 ÷ 450 450 ÷ 580 200 ÷ 900

Tipul MC MCA MT

Tabelul 5.8. Măsurile sarcinii maxime de lucru de la cârlig ( 'FC.M ), sarcinii de probă (Sp),

diametrului cablului de manevră (dC) şi numărul de roţi z ale macaralelor-cârlig din cele

nouă clase de echipamente (conform STAS 998-89)

Mărimea

fizică

sau

caracteristica

Unitatea

de

măsură

Clasa echipamentului de manevră (CEq)

50 80 125 200 320 450 580 680 900

'FC.M

kN 580 890 1340 2230 3120 4450 5790 6680 8900

US tonf 65 100 150 250 350 500 650 750 1000

Sp kN 695 1060 1600 2675 3750 5300 6900 8000 10680

dC

mm 22 25 25;

28

28;

32

32;

35

35;

38

38;

42;

44

42;

44;

45

48

in ⅞ 1 1;

1⅛

1⅛;

1¼

1¼;

1⅜

1⅜;

1½

1½;

1⅝;

1¾

1⅝;

1¾ 1⅞

z – 2 3; 4 4 4; 5 5; 6 6; 7 6; 7 7 8

Construcţia ansamblului macara-cârlig clasic este prezentată în fig.

5.23, de unde reiese şi componenţa sa. De asemenea, în fig. 5.24 sunt

prezentate tipurile de ansambluri macara-cârlig cu articulaţie (a) şi cu toartă

(b).

217

Tabelul 5.9. Tipurile de macarale-cârlig construite în România şi caracteristicile lor (cf. [6.9])

CEq Tipul

constructiv

Tipul

MC

'M.MCF ,

tf

(US tonf)

z

dC,

mm

(in)

De,

mm

Df,

mm

Tipul

rulmentului M.L.RF ,

US tonf

Masa,

t

80 MC 4-25-560

MC-100

100

(110) 4

25

(1) 560 496

125

MC 4-28-750

MC-125

125

(138) 4

28

(1⅛) 750 665 391 230 220

MC 4-28-1000

MC-125

125

(138) 4

28

(1⅛) 1000 900 57 952 278 6,994

200

MC 5-28-1100

MC-200

200

(220) 5

28

(1⅛) 1100 1000 57 952 347 6,450

MC 5-32-1100

MC-200

200

(220) 5

28

(1⅛) 1100 1000 57 952 347 6,437

320

MC

5-32-1250

MC-300

300

(330) 5

32

(1¼) 1250 1140 57 952 347 8,610

MC 5-35-1250

MC-300

300

(330) 5

35

(1⅜) 1250 1140 57 952 347

218

Tabelul 5.9 (continuare). Tipurile de macarale-cârlig construite în România şi caracteristicile lor (cf. [6.9])

CEq Tipul

constructiv

Tipul

MC

'M.MCF ,

tf

(US tonf)

z

dC,

mm

(in)

De,

mm

Df,

mm

Tipul

rulmentului M.L.RF ,

US tonf

Masa,

t

450

MC 5-35-1400

MC-400

400

(440) 5

35

(1⅜) 1400 1265 391 566 441 10,885

MC 6-35-1400

MC-400

400

(440) 6

35

(1⅜) 1400 1265 391 566

580

MC 6-35-1500

MC-500

500

(550) 6

35

(1⅜) 1500 1380 391 566 552 12,642

MC 6-38-1500

MC-500

500

(550) 6

38

(1½) 1500 1380 391 566 552

MCA 6-35-1500

MCA-500

500

(550) 6

35

(1⅜) 1500 1380 391 566 552

MCA 6-38-1500

MCA-500

500

(550) 6

38

(1½) 1500 1380 391 566 552 12,713

680 MCA 7-42-1650

MCA-680

680

(750) 7

42

(1⅝) 1650 1500 Special

Notă: CEq – clasa echipamentului; '

M.MCF – sarcina maximă de lucru a macaralei-cârlig (considerată ca

sarcină maximă de lucru/utilă de la cârlig); z – numărul de role de la macara; dC – diametrul cablului de

manevră; De – diametrul exterior al roţii; Df – diametrul de fund al roţii; M.L.RF – sarcina maximă/

limită (L) a macaralei (M) în funcţie de rulmenţi (R)

219

Aceste construcţii, prin articulaţiilor lor, au avantajele că pot realiza

o compensare a lungimilor diferite ale chiobaşilor şi se pot înlocui mai uşor

cele două subansambluri, al macaralei şi al cârligului, în situaţia uzării

diferitelor elemente componente. Dezavantajul constă în lungimea lor mai

mare, ceea ce le face utilizabile la IF de capacitate mare, care dispun de

masturi sau turle cu înălţimea liberă mai mare.

Tipurile de macarale-cârlig se execută în clasele de echipamente de

manevră (CEq) precizate în tabelul 5.7.

În tabelul 5.8 sunt concentrate măsurile sarcinii maxime de lucru de

la cârlig ( '

.F MC ), diametrului cablului de manevră (dC) şi numărul de roţi ale

macaralelor din cele 9 clase de echipamente.

Se constată că sarcina de probă/ încercare (Sp) a ansamblului macara-

cârlig este de 1,2 ori mai mare decât sarcina maximă de lucru de la cârlig:

'FC.MpS 2,1 . (5.54)

Conform UPETROM 1 Mai S.A., semnul grafic de nominalizare a

macaralei-cârlig este:

Macara-cârlig z–w(dC)–w(De)T–w( 'FC.M ) (μ(T°)),

unde T reprezintă tipul, desemnat prin simbolul respectiv, T {MC, MCA,

MT}; z – numărul de role/roţi; w( M ) – valoarea numerică a măsurii

mărimii din paranteze, cu [dC] = [De] = mm, dC fiind diametrul cablului iar

De diametrul exterior al roţilor; 'FC.M – sarcina maximă de lucru, [ '

FC.M ] =

tf; μ(T°) – măsura temperaturii de lucru, cu [T°] = °C, dacă măsura

temperaturii este negativă. De exemplu,

Macara-cârlig 6-35-1400MCA-500 (–45°C),

semnifică macara-cârlig cu articulaţie (MCA), din clasa 500, cu 6 role, cu

diametrul exterior de 1 400 mm, pentru cablu de manevră cu diametrul de

35 mm, care lucrează la temperatura de până la –45°C.

Diferite tipuri de macarale şi ansambluri macara-cârlig, inclusiv

macaraua cu compensator de mişcare a Gar.F, construcţia lor şi operaţia de

manevră cu ajutorul lor sunt prezentate în filmul „5-3- Traveling block and

hock” (vezi http://www.youtube.com/watch?v=B0nvJLlfdPs).

5.6. Troliul de foraj

Troliul de foraj (TF) („Drawworks”, în lb. en.) face parte din

sistemul de manevră (SM) şi reprezintă un ansamblu de utilaje construit ca

un tot unitar, montat pe un şasiu şi având funcţii specifice în cadrul

instalaţiei de foraj (IF), funcţia principală fiind manevrarea materialului

tubular în sondă.

Funcţiile TF sunt determinate de componenţa acestuia şi se

subordonează funcţiilor SM.

Mărimile caracteristice ale TF sunt incluse în categoriile:

1) mărimi funcţionale;

2) mărimi dimensional-constructive;

3) mărimi de anduranţă.

http://www.youtube.com/watch?v=B0nvJLlfdPs

220

Tabelul 5.10. Parametrii şi caracteristicile TF care echipează IF din clasele F, transportabile în stare semimontată

(S-M), conform STAS 6234-8 [5.2]

Clasa IF F50 T50 F80 F100 F125

Tipul acţionării DH DH DH DH DH

Tipul TF TF10 TF10 TF15 TF15 TF20

Nr.

crt.

Mărimea/

Caracteristica

UM 1 2 3 4 5

1 FM tf 10 10 15 15 20

2 Pa.TF.M kW 180 135 330 330 600

3 dC mm (in) 22 (⅞) 25 (1) 25 (1) 25 (1) 28 (1⅛)

4 NTM – 2+2R 2+2R 2+1R 2+1R 2+1R

5 DTM mm 334 426 440 470 47

6 LTM mm 776 800 818 850 850

7 Tip AOÎ – AB700×125 CD2-610 AVB710×250 AVB710×250 AVB800×250

8 Tip tlÎ: j×p – 2×1½" 2×1¾" 3×1¾" 3×1¾" 4×1¾"

9 Tip AOR – – – – – –

10 Tip tlR: j×p – – – – – –

11 DT.FB mm 900 1000 1000 1120 1120

12 LT.FB mm 218 210 218 269 269

13 As.FB dm2

114,79 125,66 127,54 178,74 178,74

14 αM grd 325 325 325 325 325

15 NTL – 2+1R 2+1R 2+1R 2+1R 2+1R

16 DTL mm 332 325 332 332 332

17 LTL mm 804 804 804 952 952

18 dC mm 14 14 14 14 14

19 LC.TL m 2600 2600 2600 5000 5000

20 DT.FB.TL mm 900 900 900 1120 1120

21 LT.FB.TL mm 218 218 218 218 218

22 Tip FA – – FH22 FH22 FH22 FH560

221

Tabelul 5.11. Parametrii şi caracteristicile TF care echipează IF din clasele F, transportabile pe subansamble pe cale terestră (SAn.T), conform STAS 6234-8 [5.2]

Clasa IF F50 F100 F125 F200 F320 F400 F580 F900

Tipul acţionării DH DH/EC DH EC DH EC DH DEC/EC DH DEC/EC EC DEC/EC

Tipul TF TF10 TF15/TF15E TF20 TF20E TF25 TF25E TF38 TF38E TF44 TF44E TF55E TF86E

Nr.

crt.

Mărimea/

Caracteristica

UM 0 1 2 3 4 5 6 7

1 FM tf 10 15 20 25 38 44 55 86

2 Pa.TF.M kW 180 330 662 882 995 1180 1500 1700 2200 2200 3270

3 dC mm

(in)

22 (⅞) 25 (1) 28 (1⅛) 32 (1¾) 35 (1⅜) 35 (1⅜)/38 (1½) 44 (1¾) 48 (1⅞)

4 NTM – 2+2R 2+1R 2+2R 4+4R 2+2R 4+4R 4+2R 4+4R 4+2R 4+4R 4+4R 4+4R

5 DTM mm 334 464 558 710 800 924 924 1000

6 LTM mm 776 1042 1050 1180 1325 1325 1492 1782

7 Tip AOÎ – AB700×125 AVB710×250 AVB710×250 AVB1120×300 AVB1120×300 CD2×250 AD3-1060 AD3-1250

8 Tip tlÎ: j×p – 2×1½" 3×1¾" 3×2" 3×2" 3×2½" 3×2½" 4×2½" 4×2½"

9 Tip AOR – – – AVB600×250 AVB710×250 AVB1120×300 AVB1120×300 AVB1250×300 AVB1250×300

10 Tip tlR: j×p – – – 3×2" 3×2" 3×2½" 3×2½" 4×2½" 4×2½"

11 DT.FB mm 900 1120 1120 1250 1400 1400 1600 2000

12 LT.FB mm 218 218 218 269 269 269 320 320

13 As.FB dm2

114,79 142,85 142,85 199,49 223,43 223,43 306,61 383,27

14 αM grd 325 325 325 325 325 325 325 325

15 NTL – 2+1R – – – – 2+2R – 2+2R 2+2R 2+2R

16 DTL mm 332 – – – – 387 – 387 387 387

17 LTL mm 804 – – – – 1394 – 1394 1630 1910

18 dC mm 14 – – – – 14 – 14 14 14

19 LC.TL m 2600 – – – – 6000 – 6000 7000 8000

20 DT.FB.TL mm 900 – – – – 1000 – 1000 1000 1000

21 LT.FB.TL mm 218 – – – – 218 – 218 218 218

22 Tip FA – – FH560 FH40 FE1000 FH40 FE1400 FH60 FE1400 FH60 FE1900 FE1900 FE1900

222

Mărimile funcţionale ale TF sunt:

o forţa maximă din ramura activă (FM);

o viteza maximă de înfăşurare a cablului pe toba de manevră (TM)

(uM);

o puterea maximă de antrenare (Pa.TF.M);

o numărul de trepte de viteză la TM (pentru ridicare şi, respectiv,

reversare) (NTM + NRev.TM);

o momentul maxim al ambreiajului „de încet” (MAÎ.M);

o momentul maxim creat de frâna principală (MFR.M);

o numărul de trepte de viteză la toba de lăcărit (TL) (NTL), dacă TF

conţine TL.

Mărimile dimensional-constructive ale TF sunt următoarele:

diametrul TM (DTM);

lungimea activă a TM (LTM);

diametrul cablului de manevră (dC);

diametrul tamburilor frânei cu bandă (DT.FB);

lăţimea tamburilor FB (LT.FB);

unghiul de înfăşurare a benzii de frână (αM);

tipodimendimensiunile ambreiajelor operaţionale ale TM;

tipodimendimensiunile lanţurilor „de încet” şi „de repede”;

diametrul tobei de lăcărit (DTL);

lungimea activă a TL (LTL);

diametrul cablului de lăcărit (dCL);

diametrul tamburilor frânei cu bandă de la TL (DT.TL);

lăţimea tamburilor frânei cu bandă de la TL (LT.TL),

ultimele cinci mărimi fiind caracteristice troliilor care conţin şi o TL.

Mărimile de anduranţă ce caracterizează TF sunt:

încărcarea termică a frânei principale;

durabilitatea arborelui TM;

durabilitatea rulmenţilor pe care se montează arborele TM;

durabilitatea lanţurilor cu role, inclusiv ale celor „de încet” şi „de

repede”, respectiv a angrenajelor;

durabilitatea cuplajelor cutiei de viteze şi a ambreiajelor

operaţionale ale TM sau durabilitatea cuplajului arborelui TM;

durabilitatea cablului, care este în funcţie de raportul dintre

diametrul TM şi diametrul cablului, DTM/dC.

Mărimea nominală a troliilor de foraj care echipează IF construite

în România este forţa maximă din ramura activă a înfăşurării cablului (FM).

De exemplu, TF 44-E reprezintă un troliu cu FM = 44 tf acţionat cu motoare

electrice de c.c.

Puterea maximă de antrenare se determină cu formula:

IRATF

mMMTFa

uFP

I.. , (5.55)

unde um este viteza minimă de înfăşurare a cablului pe tobă; ITF –

randamentul transmiterii fluxului energetic în cadrul TF, pe linia de cuplare

223

de ordinul 1 (pentru treapta I de viteză); ηÎRA – randamentul de înfăşurare a

ramurii active pe TM.

În tabelul 5.10 şi 5.11 se prezintă parametrii şi caracteristicile TF

care echipează IF din clasele F, construite în România conform STAS 6234-

87.

Componenţa TF a fost pusă în evidenţă în cadrul subcap. 5.1, care

prezintă componenţa SM. Componenţa TF este dependentă de gradul de

transportabilitate, tipul acţionării, modul de acţionare, tipul frânei principale,

arhitectura IF (nivelul de montaj al troliului pe IF) etc.

În fig. 5.25 ÷ 5.27 sunt reprezentate schemele cinematice ale unor

tipuri de trolii, care fac parte din IF cu acţionare electrică (de tipul EC, DEC

sau DEWL), cu motoare de c.c., cu acţionare DH, cu mod de acţionare

individual (MAI), mixt, în varianta 1 (MAM1), şi centralizat (MAC), cu

montarea troliului pe sau sub platforma de lucru a instalaţiei.

Fig. 5.25. Schema

cinematică a unui

troliu de foraj (TF)

de la o instalaţie cu

acţionare DEC:

2CCn – dublu cu-

plaj cu caneluri (al

cutiei de viteze), FI

– frână inerţială;

CB – cuplaj cu

burduf; AVB –

ambreiaj ventilat

cu burduf; T.AVB

– tamburul AVB

(ambreiajului ope-

raţional al dispozi-

tivului de avans

automat al sapei =

DAAS); PRD –

pompă cu roţi

dinţate (pentru ungerea lanţurilor); TL – tobă de lăcărit; TM – tobă de manevră; AD –

ambreiaj cu discuri; AOÎ – ambreiaj operaţional „de încet”; AOR – ambreiaj operaţional

„de repede”; Lm.C – limitator de cursă a macaralei; CSU – cuplaj de sens unic; FB – frână

cu bandă; FE – frână electromagnetică. Exemple: TF 55E; TF 44E; TF 38E.

Pot fi evidenţiate următoarele părţi componente (conform fig. 5.25):

cutia de viteze (CV) a SM;

frâna inerţială (FI), care se montează pe unul din arborii CV

pentru oprirea mişcării acestora atunci când se schimbă treapta

de viteză utilizând transmisiile din CV;

ansamblul arborelui TM (An.a.TM), cu TM, tamburii frânei cu

bandă, ambreiajele operaţionale ale tobei;

echipamentul de frânare (Eq.Fr);

limitatorul de cursă a macaralei (Lm.C);

toba de lăcărit (TL), la unele trolii;

transmisii mecanice (cu lanţuri, roţi dinţate) pentru transmiterea

mişcării la arborele TM;

224

diferite tipuri de cuplaje, cu diverse roluri funcţionale (de

schimbare a treptelor de viteză, operaţionale, cuplare a frânei

auxiliare etc.).

Fig. 5.26. Schema cine-

matică a unui troliu de

foraj (TF) montat pe

platforma de lucru a unei

instalaţii cu MAM1,

acţionare de tipul EC:

2CCn – dublu cuplaj cu

caneluri (al cutiei de

viteze), FI – frână iner-

ţială; CCn – cuplaj cu

caneluri pentru prelungi-

rea arborelui 2; OBAVB –

obada şi burduful AVB

(ambreiajului ope-raţional

al DAAS); TM – tobă de

manevră; AD – ambreiaj

cu discuri; AOÎ – ambreiaj

operaţi-onal „de încet”;

AOR – ambreiaj

operaţional „de repede”;

Lm.C – limita-tor de cursă

a macaralei; CSU – cuplaj

de sens unic; FB – frână cu bandă; FE – frână electromagnetică; R.l.t.l.I. GAMR – roată de

lanţ de la transmisia cu lanţ de intrare în grupul de antrenare a mesei rotative; TL – tobă de

lăcărit; Ms – mosoare. Ex.: TF 25E (F200-EC: AVB 1120x300; AVB 900x250, FE 1400)

Fig. 5.27. Schema cinema-

tică a unui troliu de foraj

(TF) montat sub platforma

de lucru a unei instalaţii cu

acţionare DH sau EHC, cu

MAC: T.AVB – tamburul

unui AVB de cuplare a

transmisiei intermediare

(TI) a IF; a.cd.1 – arbore

cardanic de legătură cu

arborele de intrare în TF;

an.cl – angrenaj cilindric;

PRD – pompă cu roţi

dinţate (pentru ungerea

lanţurilor); CV.SR – cutie

de viteze a sistemului de

rotaţie (SR); FI – frână

inerţială; AOR – ambreiaj

operaţional „de repede”;

TM – tobă de manevră;

AOÎ – ambreiaj operaţi-

onal „de încet”; FB – frână

cu bandă; FH – frână

hidraulică; Lm.C – limita-

tor de cursă a macaralei;

a.cd.2 – arbore cardanic de

legătură cu arborele de intrare în GAMR. Ex.: TF 20 (F125-2DH),TF 25 (F200-2DH, F200-

3EHC-4)

225

Aceste elemente componente se montează într-o carcasă de

construcţie sudată, amplasată pe o sanie.

Fig. 5.28. Troliul de foraj de tipul TF38 care echipează instalaţia F320-3DH

Fig. 5.29. Ambreiajul „de încet” (de tipul AVB1250×300) al troliului TF 38 şi pupitrul

de comandă utilizat la ridicarea şi coborârea mastului

În fotografia din fig. 5.28 se prezintă vederea din faţă a unui TF de

tipul TF 38, care echipează instalaţia F320-3DH. Troliul este montat pe o

sanie care este amplasată sub platforma de lucru. Se vede TM pe care se

înfăşoară cablul în trei valuri la ridicarea Gar.F pe lungimea unui pas. De o

parte şi de alta a tobei se montează tamburii FB care sunt acoperiţi de

carcasă. La capătul din dreapta se găseşte ambreiajul „de încet” (de tipul

AVB1250×300) (vezi şi fig. 5.29) iar la celălalt capăt se află ambreiajul „de

repede” (de tipul AVB1120×300) şi frâna hidraulică (FH) (de tipul FH 60).

226

Fig. 5.30 arată fotografia unui troliu echipat cu frâne-disc şi frână

electromagnetică, aflat în reparaţie şi construit de firma National Oilwell.

Fig. 5.30. Troliu de foraj echipat cu frâne-disc şi frână electromagnetică, construit

de firma National Oilwell şi aflat în reparaţie [5.8]

Fig. 5.31. Instalaţie de foraj şi intervenţie transportabilă în stare semimontată,

de tipul WF125-DH-T (cu acţionare cu motor diesel CATERPILLAR şi

transmisie hidromecanică Alisson)

În fig. 5.31 este prezentată o instalaţie de foraj şi intervenţie (IFI)

transportabilă în stare semimontată (T.S-M), de tipul WF125-DH-T (cu

acţionare cu motor diesel CATERPILLAR şi transmisie hidromecanică

Allison, cu 6 trepte de viteze şi o treaptă de reversare). Instalaţia are un

troliu de tipul TFI 20 (vezi fig. 5.32).

La ora actuală, prin folosirea acţionării de tipul DEA, care permite

un domeniu larg de variaţie a turaţiei motorului de c.c. [cu convertizor static

de frecvenţă/acţionare cu frecvenţă variabilă („variable frequency drive”, în

227

lb. en.)], au devenit obişnuite troliile de foraj compacte la IF terestre şi

marine.

Fig. 5.31. Troliu de foraj montat pe şasiul autocamionului instalaţiei WF125-DH-T şi

echipat cu frână hidraulică rapidă de tipul FH560 (vedere dinspre grupul de acţionare)

Un exemplu de troliu de foraj compact este troliul GH 3000 EG, care

a fost primul de acest gen, utilizat în cadrul IF UTB-1 considerată „cea mai

mare instalaţie de foraj terestră din lume”, în anul 1991 (cf. [5.10]). Această

IF a fost construită pentru a realiza „cel mai adânc foraj geoştiinţific din

lume”, de 12 000 m, în Gemania, în regiunea Oberpfalz din Bavaria,

aproape de graniţa cu Cehia, într-o structură a crustei continentale

stratificată tectonic, formată acum 250 ÷ 400 milioane de ani prin coliziunea

blocurilor continentale [5.10].

Troliul GH 3000 EG (vezi fig. 5.32) a fost proiectat pentru a face

faţă cerinţelor anticipate de performanţă ridicată pentru a fora „sonde

ultraadânci”, cu efectuarea unui număr mare de marşuri. Astfel (cf. [5.9]), s-

a ajuns la construirea unui troliu acţionat cu trei motoare de c.c. (1), fiecare

cu puterea de 740 kW, montate în stea, cu transmiterea mişcării prin

intermediul câte unei cutii de viteze (2), cu 4 trepte, cu angrenaje, acţionate

hidraulic şi comandate de la distanţă. Această configuraţie a avut ca scop

minimizarea numărului de conexiuni/cuplări, estimate la 800 până la

adâncimea de 10 000 m, şi reducerea de circa 14 % a timpului de manevră,

utilizând paşi de prăjini de foraj „Range 3”, cu lungimea de 40 m. Puterea

furnizată la arborele de ieşire de la fiecare din cele trei CV este transmisă la

arborele de însumare prin intermediul unei transmisii cu lanţ (3). Cuplarea

arborelui de însumare cu arborele TM se face cu ajutorul a două cuplaje (4):

un cuplaj rigid dinţat/cu gheare, întrebuinţat pentru funcţionarea normală, şi

un ambreiaj cu fricţiune, folosit pentru operaţii speciale (ca de exemplu,

instrumentaţii cu geala de bătaie).

TM are diametrul (DTM) de 1 075 mm, lungimea (LTM) de 2 361 mm,

ceea ce determină o capacitate de 570 m de cablu, înfăşurat în trei valuri

active (v = 3). Viteza maximă de înfăşurare a cablului pe tobă (uM) este de

20 m/s şi, chiar, mai mult. Echipamentul de frânare (Eq.Fr) constă dintr-o

228

frână cu bandă dublă şi echlibrată (FB) („band brake”, în lb. en.) (6) şi o

frână electromagnetică (FE) („edy current brake”, în lb. en.) (7). Un efect

suplimentar de frânare este obţinut prin funcţionarea motoarelor electrice în

regim de frânare (în cel de-al patrulea cadran) şi printr-o frână-disc („disk

brake”, în lb. en.). Troliul este echipat cu o comandă hidraulică a avansării

sapei (9) [aşa-zisul sondor automat („automatic driller”, în lb. en.)],

conectată la două din cele din cele trei CV, care asigură o viteză constantă

de avansare a sapei, de 30 m/h. Troliul are o masă de circa 80 t, lungimea de

11,6 m, lăţimea de 3 m şi înălţimea de 4,3 m.

Fig. 5.32. Troliul de foraj GH 3000 EG, de construcţie compactă, al instalaţiei de foraj

UTB-1, troliu antrenat cu angrenaje (Gear-Driven Drawworks), cu sarcina maximă de la

cârlig de 8 000 kN, cu „grad foarte înalt de automatizare”, utilizată pentru realizarea celei

mai adânci găuri de foraj geoştiinţifice din lume, de 12 000 m, în cadrul programului de

cercetare geoştiinţifică KTB (Kontinental Tief Bohrung), finanţat de guvernul Germaniei şi

început în 1989 [5.9]: 1 – motoare electrice de c.c (3×740 kW) (740 kW DC Electric

Motor), în număr de trei şi montate în stea; 2 – cutie de viteze (cu angrenaje), cu patru

trepte: (1), (2), (3) şi (4) (4-Speed Gear); 3 – transmisie cu lanţ (Compound Gear); 4 –

combinaţie de două ambreiaje: ambreiaj rigid şi de fricţiune (Combination Positive and

Friction Clutch); 5 – tobă de manevră (TM) (Drum) (DTM = 1075 mm, LTM = 2361 mm, v =

3, Pa.TF.M = 2220 kW, GTF = 900 kN) ; 6 – frână cu bandă (Band Brake); 7 – frână-disc

(Disk Brake); 8 – frână electromagnetică (cu curenţi turbionari) (Edy Current Brake); 9 –

acţionarea hidraulică a avansării sapei (Hydraulic Feed Off Drive)

Fig. 5.33. Troliu de foraj compact, acţionat electric (cu convertizoare statice de frecvenţă),

prin angrenaje [5.11]

229

În fig. 5.33 se prezintă fotografia unui tip de TF, cu acţionare cu

MEc.c., cu convertizoare statice de frecvenţă.

5.7. Ansamblul arborelui tobei de manevră

TF conţine, între alte elemente precizate mai sus, şi ansamblul

arborelui tobei de manevră (An.a.TM) (vezi fig. 5.34). Acesta este format

din arborele TM (a.TM), TM, montată prin îmbinări cu pene paralele cu

arborele, şi ambreiajele operaţionale.

Toba de manevră (TM) asigură:

1) înmagazinarea şi aşezarea corespunzătoare a cablului în timpul

operaţiei de ridicare a macaralei-cârlig (încărcate sau nu) pe

lungimea unui pas de prăjini de foraj;

2) fixarea sigură şi accesibilă a ramurii active (RA) a înfăşurării

cablului (ÎC), cu posibilitatea unui control periodic al zonei

respective;

3) fixarea tamburilor frânei cu bandă (FB) sau discurilor frânei cu

discuri (FD).

Mărimea dimensional-constructivă principală a TM este diametrul

tobei (DTM). Acest diametru influenţează în mare măsură durata de serviciu

a cablului, prin tensiunea de încovoiere care apare în cablu la înfăşurarea lui

pe tobă. De aceea, DTM se alege în funcţie de diametrul cablului (dC),

considerându-se (cf. [5.2]) că domeniul optim este [20, 24]· dC; deci

CTM dD 24 ,20 , (5.56)

pentru care sarcina de rupere a cablului înfăşurat (Sr.î) este (cf. [5.2])

mrir SS .. 0,95 ,92;0 , (5.57)

unde Sr.m reprezintă sarcina minimă de rupere a cablului.

În tabelul 5.12 sunt concentraţi parametrii constructivi ai TM,

inclusiv raportul DTM/dC, pentru diferitele tipuri de TF care echipează IF

sunt fabricate în România.

Tabelul 5.12. Parametrii constructivi ai TM pentru diferite tipuri de

TF care echipează IF construite în România

Tipul/Clasa IF F125 F200 F320 F400 F500

Tipul TF TF 20;

TF 20-E

TF 25;

TF 25-E

TF 38;

TF 38-E

TF 44;

TF 44-E

TF 55;

TF 55-E

dC, mm (in) 28 (1⅛) 32 (1¼) 35 (1⅜) 35 (1⅜) 38 (1½)

DTM, mm 558 710 800 800 924

DTM/dC 19,93 22,19 22,86 22,86 24,32

LTM, mm 1 050 1 180 1 325 1 325 1 510

Lungimea de cablu activ care se-nfăşoară pe TM depinde de

numărul de role de la macara (z) şi de lungimea pasului de prăjini manevrat

(lp), conform relaţiei:

,502 pTMCA lzL . , (5.58)

în care [lp] = m şi [LCA.TM] = m. De exemplu, pentru z = 5 şi lp= 27 m, se

obţine

m 275m,502752 TMCAL . ,

care reprezintă o măsură foarte mare.

230

Fig. 5.34. Ansamblul arborelui tobei de manevră de la troliul TFI 20 echipat cu frână-disc (al unei instalaţii de foraj şi de intervenţie): 1 – arbore; 2 –

tobă de manevră (TM); 3 – manşon spiralel; 4 – roată de lanţ de la transmisia de antrenare a frânei hidraulice; 5 – cuplaj cu caneluri („crabot”); 6 – roată

de lanţ de la transmisia de antrenare a TM; 7 – ambreiaj ventilat cu burduf (ambreiaj operaţional al TM), de tipul AVB 900×250

231

Datorită lungimii mari a cablului activ, este necesar ca înfăşurarea să

se facă în mai multe valuri (vezi fig. 5.34 şi 5.35). Se consideră că numărul

optim de valuri active (v) este cuprins între doi şi patru,

4 3, ,2v , (5.59)

astfel încât lungimea TM (LTM) să nu fie prea mare (pentru a nu determina

un gabarit prea mare a TF), dacă numărul de valuri active este mic, şi nici să

nu se producă o uzură prea accentuată a cablului la înfăşurarea pe tobă şi

momentul de inerţie al TM cu cablul înfăşurat să devină prea mare (adică

solicitările dinamice să depăşească nişte limite acceptabile), dacă numărul

de valuri active este mare. Uzura mai mare la înfăşurarea cablului în mai

multe valuri se produce datorită:

frecării de pereţii laterali ai TM la trecerea de pe un val pe altul,

atât în timpul înfăşurării, cât şi al desfăşurării cablului;

presiunii de contact mari între sârmele cablului din zonele de

încrucişare a spirelor a două valuri succesive.

Fig. 5.35. Înfăşurarea ca-

blului pe toba de manevră în

mai multe valuri: 1 – TM; 2

– manşon spiralel; 3 – disc

lateral; 4 – pană-segment de

cerc; DTM – diametrul TM;

LTM – lun-gimea activă a

TM; dC – diametrul

cablului; RC – raza canalului

pentru cablu al manşonului

spiralel; Dk, k = 1, 2, ..., v,

diametrul de înfăşurare a

fibrei medii a valului de

ordinul k; a – distanţa dintre

două valuri succesive

Fig. 5.36. Toba de manevră cu unul din pereţii săi laterali, pana-segment de cerc şi

manşonul spiralel, format din patru segmente cilindrice, două cu canale înclinate

şi alte două cu canale paralele cu pereţii laterali, dispuse alternant

În timpul înfăşurării cablului pe TM, trebuie să se realizeze o aşezare

corectă a spirelor într-un val şi, de asemenea, în două valuri succesive,

232

pentru că modul de aşezare a spirelor de cablu determină o uzură mai mult

sau mai puţin accentuată a a cablului şi a tobei, din cauza frecării între spire

şi a cablului de peretele lateral al tobei. De asemenea, aşezarea corectă a

cablului diminuează şi celelalte efecte negative care se manifestă: presiunea

de contact între spire şi a spirelor de tobă şi vibraţiile transversale ale

ramurii active (RA). De aceea, pe tobă se montează un manşon spiralel

(canelat) (vezi fig.5.34 ÷ 5.36), care asigură aşezarea corectă, spiră lângă

spiră, a cablului în primul val.

Fig. 5.36 reprezintă fotografia TM de la troliul TF 38 cu manşonul

spiralel format din patru segmente cilindrice, două cu canale înclinate şi alte

două cu canale paralele cu pereţii laterali, dispuse alternant.

În fig. 5.37 se arată modurile de aşezare a spirelor de cablu în două

valuri succesive:

a) aşezare suprapusă (spiră pe spiră);

b) aşezare în triunghi echilateral (spiră între spire);

c) aşezare intermediară (în triunghi oarecare).

a b c

Fig. 5.37. Modurile de aşezare a spirelor de cablu în două

valuri succesive: aşezare suprapusă (a); aşezare în triunghi

echilateral (b); aşezare intermediară (c); dC – diametrul

cablului; a – distanţa dintre fibrele mediane a două valuri

Pentru cele trei moduri de aşezare a spirelor de cablu, distanţa dintre

fibrele mediane a două valuri succesive, notată cu a, este:

Cda , (5.60)

pentru aşezarea suprapusă;

CC dda ,86602

3, (5.61)

pentru aşezarea în triunghi echilateral;

Cda , (5.62)

pentru aşezarea intermediară, cu

Cd 1 ,866;0 . (5.63)

În cazul în care există manşon spiralel, de obicei, se acceptă o aşezarea

intermediară, cu

,930 . (5.64)

Cunoscând modul de de aşezare a spirelor de cablu în două valuri

succesive, respectiv admiţând aşezarea intermediară şi existenţa unui val

mort, se determină diametrul de înfăşurare a cablului în fiecare val activ,

folosind fig. 5.35:

CTM dDD 0 ; (5.65)

adDaDD CTM 12201 ; (5.66)

233

adDaDD CTM 22212 ; (5.67)

...........................................................

akdDD CTMk 2 ; (5.68)

.............................................................

avdDD CTMv 2 . (5.69)

Diametrul mediu de înfăşurare a RA pe TM se calculează cu relaţia:

2

1 vn

DDD

. (5.70)

Folosind relaţiile (5.66) şi (5.69), rezultă:

avdDD CTMn 1 . (5.71)

În legătură cu înfăşurarea cablului pe TM şi cu funcţionarea TF, se

pot viziona filmele „Drilling Rig AC Gear Driven Drawworks”,

„Drawwork-Conventional Rig”, folosind link-ul:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=lEfh3zoa4Y

o, şi filmul „3000HP AC Drawworks for Offshore Drilling Rig-ALTA Rig

Systems”, accesând link-ul:

http://www.youtube.com/watch?v=yHfnL43H48g&NR=1&feature=endscre

en.

5.8. Echipamentul de frânare al troliului de foraj

Echipamentul de frânare (Eq.Fr) („Braking equipment”, în lb. en.)

reprezintă ansamblul frânelor din componenţa troliului de foraj (TF) cu

ajutorul căruia se realizează încetinirea şi oprirea mişcării de rotaţie a tobei

de manevră (TM) şi, respectiv, a tobei de lăcărit (TL).

Deci, în cadrul Eq.Fr al TF distingem: ansamblul frânelor care

deservesc TM şi frâna cu care este echipată TL, dacă există o astfel de tobă

în componenţa troliului.

Ansamblul frânelor cu care se acţionează asupra TM realizează

încetinirea şi oprirea mişcării de coborâre a macaralei-cârlig neîncărcate sau

încărcate cu materialul tubular şi menţinerea pe poziţie a macaralei.

Operaţia de coborâre a garniturii de foraj (Gar.F) sau coloanei de

burlane (CB) pe lungimea unui pas de prăjini, respectiv a unui burlan, sunt

controlate de Eq.Fr, care creează momentul de frânare necesar, astfel încât

garnitura sau coloana să fie introduse în sondă cu o anumită viteză de

coborâre, în condiţii de siguranţă. Astfel, viteza de coborâre este impusă atât

de condiţii tehnologice, respectiv de evitarea efectului de pistonare, cât şi de

condiţii dinamice, adică de limitare a sarcinilor dinamice în momentul

opririi.

Funcţiile Eq.Fr din cadrul TF sunt:

1) frânarea, adică încetinirea mişcării de coborâre, prin reglarea

vitezei, şi oprirea ei, prin absorbirea parţială şi, respectiv, totală a

energiei cinetice dezvoltate de masa Gar.F sau CB sau numai de

masa moartă în timpul coborârii, datorită câmpului gravitaţional;

2) menţinerea într-o anumită poziţie a macaralei-cârlig neîncărcate

sau încărcate cu Gar.F sau CB suspendată în elevator;

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=lEfh3zoa4Yo

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=lEfh3zoa4Yo

http://www.youtube.com/watch?v=yHfnL43H48g&NR=1&feature=endscreen

http://www.youtube.com/watch?v=yHfnL43H48g&NR=1&feature=endscreen

234

3) preluarea unei părţi din greutatea ansamblului de adâncime

(An.Ad) în timpul forajului, în vederea realizării forţei de

apăsare pe sapă, a reglării acesteia şi, implicit, a avansului sapei;

4) blocarea tobei de manevră (TM), în timpul probei de

suprasarcină a turlei.

a

b

c

Fig. 5.38. Schemele de montaj şi transmitere a momentelor de frânare ale

ansamblului de frâne al tobei de manevră (TM): a – cazul frânei hidraulice

(FH) cuplate direct de arborele TM cu ajutorul unui cuplaj de sens unic

(CSU) sau al unuia cu craboţi (CCr); b – cazul frânei electromagnetice

(FE) cuplate direct de arborele TM prin CSU sau CCr; c – cazul

transmiterii mişcării de rotaţie la FH prin intermediul unei transmisii

cu lanţ multiplicatoare, deci, cu raportul de transmitere supraunitar

(i > 1) (de exemplu, la instalaţiile F100-2DH, F100-EC, F125-2DH-T)

Ansamblul de frâne al TM conţine două tipuri de frâne:

1) frâna de încetinire/ reglare, care este o frână auxiliară şi care

absoarbe numai o parte din energia mecanică, sub formă cinetică,

înmagazinată de Gar.F sau CB, în timpul operaţiei de coborâre;

2) frâna de oprire/ blocare/ poziţionare, care reprezintă frâna

principală, ea realizând atât oprirea mişcării de coborâre, cât şi

reglarea vitezei acestei mişcări, prin absorbirea parţială sau totală

a energiei cinetice de care dispune materialul tubular respectiv.

235

În fig. 5.38 se arată schematic montajul FB şi, de asemenea, al FH

sau FE, prin cuplare directă de arborele TM şi, respectiv, prin intermediul

unei transmisii cu lanţ multiplicatoare.

Frâna principală/ de oprire/ blocare (FP/FB) poate fi de tipurile:

frână cu bandă (FB) care este una dublă şi echilibrată;

frână cu discuri (FD).

În cadrul TF de la IF terestre există ca frână auxiliară/ de reglare

(FA/FR) una din următoarele tipuri:

o frâna hidraulică (FH);

o frâna electromagnetică/ electrodinamică (FE), care se foloseşte,

în mod normal, la instalaţiile de foraj acţionate cu motoare

electrice de curent continuu sau asincrone cu convertoare statice

de frecvenţă;

o motorul electric asincron (cu convertizor static de frecvenţă), de

acţionare a troliului, utilizat ca frână cu recuperare de energie.

Funcţia de reglare sau de blocare a frânei este determinată de forma

curbei caracteristicii funcţionale. Curba sau diagrama caracteristicii

funcţionale sau diagrama funcţională a unei frâne reprezintă graficul

dependenţei dintre momentul de frânare creat de frâna respectivă şi viteza

unghiulară a TM, adică MF = f(ωTM).

Fig. 5.39. Diagramele caracteristicilor funcţionale

ale diverselor tipuri de frâne de blocare şi de

reglare: FB – frâna cu bandă; FPFM – frâna cu

particule feromagnetice; FH – frâna hidraulică; FE

– frâna electromagnetică

În fig. 5.39 sunt reprezentate

diagramele funcţionale ale diferitelor

tipuri de frâne: FB, FD, FH şi FE. Aşa

cum rezultă din această figură, FB şi FD

pot crea un moment de frânare indiferent

de viteza unghiulară a TM, pe când momentul dezvoltat de FH sau FE

depind de viteza unghiulară în mod crescător iar la viteză nulă, adică în

repaus, momentul de frânare este zero. De asemenea, se constată că FE

realizează o creştere mai importantă/ pronunţată a momentului de frânare în

comparaţie cu FH, pentru aceeaşi viteză unghiulară.

Frâna cu bandă (FB) este arătată în fig. 5.31 şi 5.40. În timpul

frânării, prin acţionarea levierului de către sondorul-şef cu o forţă FL (vezi

fig. 5.40), ia naştere o forţă Tm în capătul mobil al benzii de frână şi o forţă

în capătul fix al acesteia TF, datorită frecării dintre saboţi şi tamburi.

Rezultă, astfel, un moment de frânare care este exprimat de relaţia:

FBTmFBTFFB RTRTM .. 2 , (5.72)

în care RT.FB reprezintă raza suprafeţei exterioare a tamburului FB.

Dacă se admite că legea de variaţie a efortului/ forţei care ia naştere

în banda de frână se supune legii lui Euler (valabilă pentru firele înfăşurate),

adică (vezi fig. 5.41):

emTT , (5.73)

236

unde T este efortul de tracţiune care apare într-o secţiune oarecare a benzii,

aflată la unghiul α faţă de capătul mobil, iar μ coeficientul de frecare de

alunecare dintre saboţi şi tambur, atunci forţele TF şi Tm sunt date de

formulele:

M

mF TT

e ; (5.74)

FB.T

st.TMdm

D

MkT

M

1e

, (5.75)

αM fiind unghiul total/ maxim de înfăşurare a benzii de frână pe tambur sau

unghiul total de contact dintre saboţi şi tambur, care este de 325° pentru

frânele cu bandă construite în România, αM = 325° (vezi tabelele 5.10 şi

5.11).

Fig. 5.40. Schema de calcul al efortului din banda de frână (BF):

1 – arborele tobei de manevră; 2 – toba de manevră (TM); 3 –

ramura activă (RA) a cablului de manevră; 4 – tamburul FB;

5 – banda de frână; 6 – sabot; 7 – capătul activ al benzii de frână;

8 – capătul fix al benzii de frână; 9 – arborele FB; 10 – levierul

FB; Fc – forţa din RA a cablului, la coborârea (c) materialului

tubular; ωTM – viteza unghiulară a TM; Dk – diametrul de

desfăşurare a RA din valul de ordinul k; DT.FB – diametrul

tamburului FB; αM – unghiul de înfăşurare a benzii de frână pe

tambur; r – lungimea manivelei; γ – unghiul de rotire a manivelei;

FL – forţa cu care sondorul-şef acţionează asupra levierului;

Tm,F – forţa din capătul mobil (m), respectiv fix (F), al benzii

Fig.5.41. Legea de distribuire exponenţială a efortului de tracţiune din banda de frână

237

Din cauza frecării dintre saboţi şi tamburi, aceste elemente se

încălzesc puternic şi, din acest motiv, este nevoie să se răcească tamburii

prin circulaţia apei prin interiorul camerelor de răcire, aflate sub suprafaţa

frontală a lor.

La noile TF, se folosesc frânele disc („disc brake”, în lb. en.) (FD),

care au luat locul frânei cu bandă (FB), dublă şi echilibrată. În fig. 5.42 se

arată acest tip de frână, montat de o parte şi de alta a TM, pe nişte discuri,

care sunt răcite cu apă (vezi şi fig. 5.34).

Fig. 5.42. Frână cu disc: există două frâne, montate de o parte şi de alta a TM [5.12]

În funcţie de mărimea TF, există 2 până la 4 etriere acţionate

hidraulic („hydraulically-actuated calipers”, în lb. en.). În plus faţă de aceste

etriere principale („main calipers”, în lb. en.), fiecare frână cu disc are 2

etriere speciale (normal închise), care sunt utilizate ca frâne de urgenţă şi de

poziţionare („emergency and parking brake”, în lb. en.). Aceste etriere sunt

acţionate printr-un sistem hidraulic independent („independent hydraulic

system”, în lb. en.).

Frânele cu disc pot fi montate şi pe TF care au fost iniţial echipate cu

frână cu bandă.

Fig. 5.43. Secţiune printr-o

frână hidraulică, cu cuplare

directă de arborele tobei de

manevră: 1 – arbore; 2 – rotor

(R); 3 – stator (S) stânga; 4 –

stator (S) dreapta; 5 – inel

intermediar; 6, 7 – casete de

rulmenţi; 8 – rulment cu role

cilindrice; 9 – rulment oscilant;

10 – cuplaj de sens unic; 11 –

suport; 12 – şuruburi pentru

fixarea inelului 5 de statoare;

Di – diametrul interior activ al

rotorului; De – diametrul

exterior activ al rotorului; D –

diametrul nominal; ω – viteza

unghiulară a rotorului

Frâna hidraulică

(FH) („Hydraulic brake”,

238

în lb. en.) (vezi fig. 5.43) este o maşină hidraulică rotativă, care realizează

un moment rezistent la arborele său (moment de frânare), datorită rezistenţei

hidraulice întâmpinate de un rotor paletat (pe o parte sau pe ambele părţi),

atunci când este antrenat în mişcare de rotaţie în interiorul unei camere

(delimitate de o carcasă cu pale/ palete), în care se află un lichid de lucru (de

obicei apă).

Mărimea nominală a FH este diametrul exterior activ al rotorului

(De), astfel că semnul grafic de nominalizare este următorul:

FH w(D),

unde w(D) este valoarea numerică a măsurii diametrului nominal,

D ≡ De, (5.76)

considerând ca unitate de măsură fie inch ([D] = in), fie mm ([D] = mm).

Exemple: FH 60, unde D = 60 in, şi FH 560, în care D = 560 mm.

După modul de antrenare, respectiv amplasare în raport cu arborele

tobei de manevră (a.TM), se disting:

FH lente, în cazul în care antrenarea se face în mod direct de la

a.TM (prin intermediul unui cuplaj), conform fig. 5.28 şi

schemei din fig. 5.38 a.

FH rapide, atunci când antrenarea de la a.TM se face printr-o

transmisie cu lanţ multiplicatoare, conform fig. 5.31 şi 5.38 b.

Momentul de frânare creat de FH este dat de formula:

52 DCM FHFH , (5.77)

denumită ecuaţia caracteristică a FH, unde CFH este constanta FH; ω –

viteza unghiulară a rotorului; D – diametrul nominal.

Acestă relaţie arată că se poate obţine un moment de frânare numai

în situaţia în care rotorul este antrenat în mişcare de rotaţie, cu o anumită

viteză unghiulară, respectiv turaţie.

Se poate obţine o variaţie a momentului realizat de FH şi prin

modificarea gradului de umplere cu apă. În acest fel, se realizează o

adaptare a FH la sarcina de coborâre.

Momentul de frânare dezvoltat la arborele TM de către FH rapidă,

în funcţie de viteza unghiulară a acestui arbore este exprimat de formula:

2351TMrrFH

rFHaTMa

TMarFH iDCM

.

...

... , (5.78)

unde indicele r se referă la FH rapidă.

Conform acestei relaţii, pentru aceeaşi viteză unghiulară a arborelui

TM, se constată că momentul de frânare dezvoltat la arborele TM de către

FH rapidă este cu atât mai mare, cu cât raportul de transmitere (i) al

transmisiei cu lanţ multiplicatoare este mai mare, dependenţa fiind cu

puterea a treia a acestui raport.

Pe baza formulei de mai sus, se poate determina relaţia dintre

diametrul nominal al unei FH montate pe arborele TM (D) şi diametrul

nominal al unei FH rapide (Dr), care ar crea acelaşi moment de frânare la

arborele TM:

239

53

1

iC

CDD rFHaTMa

rFH

FHr ...

.

. (5.79)

În conformitate cu această relaţie, deoarece i > 1, rezultă că acelaşi

moment de frânare la arborele TM poate fi obţinut cu o FH rapidă cu

diametrul nominal mai mic decât cel al FH montate direct pe acest arbore

(Dr < D), raportul dintre aceste diametre fiind proporţional cu 5 31 i/ :

5 3

1

iD

Dr ~ . (5.80)

Frâna electromagnetică („Electromagnetic brake”, în lb. en.) (FE)

are următoarele componente principale (vezi fig. 5.44):

stator („stator”, în lb. en.), cu înfăşurarea statorică („coil”, în lb.

en.) şi doi poli magnetici („magnetic poles”, în lb. en.);

rotor („rotor”, în lb. en.), montat pe un arbore de antrenare

(„drive shaft”, în lb. en.).

Fig. 5.44. Frâna electromagnetică şi componenţa ei: statorul, cu polii

şi înfăşurarea statorică, şi rotorul [5.12]

Când sondorul-şef activează comanda FE, cele 4 înfăşurări

electromagnetice produc un câmp magnetic („magnetic field”, în lb. en.),

care frânează rotorul. Prin variaţia intensităţii curentului din aceste

înfăşurări statorice, sondorul-şef poate controla momentul de

electromagnetic de frânare a rotorului.

Frâna hidraulică (FH) şi frâna electromagnetică (FE) au numai rolul

de a încetini mişcarea de coborâre a macaralei, în timpul introducerii în

sondă a materialului tubular, aşa cum rezultă şi din forma caracteristicilor

lor funcţionale.

TF, împreună cu funcţiile sale, şi Eq.Fr sunt prezentate în filmul „Oil &

Gas Drawworks”, care poate fi accesat cu link-ul:

http://www.youtube.com/watch?v=JhiPinr5T3k.

http://www.youtube.com/watch?v=JhiPinr5T3k

240

5.9. Diagrama de ridicare

Diagrama de ridicare (DR) sau caracteristica funcţională (CF) a

sistemului de manevră (SM) reprezintă dependenţa funcţională dintre viteza

de ridicare şi forţa de la cârlig, în mişcare stabilizată,

strstr fv .. F , (5.81)

pentru cele NSM trepte de viteză, în cazul folosirii unui anumit număr de

motoare pentru fiecare treaptă de viteză (Nj, j = I, II, III, ..., NSM).

Diagrama de ridicare evidenţiază performanţele funcţionale ale SM

şi, ca urmare, reprezintă un rezultat al proiectării întregului sistem, adică al

alegerii adecvate a tipodimensiunii de grup de acţionare şi al numărului de

motoare, al proiectării lanţului cinematic de însumare a puterii motoarelor

(LCÎPM) şi proiectării lanţului cinematic (LC) al SM.

DR se construieşte cu ajutorul relaţiilor care pun în evidenţă

dependenţa mărimilor funcţionale ale cârligului de mărimile funcţionale de

ieşire ale grupului de acţionare.

Dacă SM este acţionat cu motoare diesel (D), reglate la puterea de

referinţă şi funcţionând în condiţii de sincronism, şi CHC, în cadrul

acţionărilor DH şi DH-M, sau cu MEc.c. sau MEc.a., în cadrul acţionărilor

de tipurile DEC/EC sau DEA/EA sau DEWL, atunci mărimile funcţionale

ale cârligului, forţa de la câlig în mişcare stabilizată, pentru treapta de viteză

de ordinul j, şi viteza de ridicare a cârligului, pentru aceleaşi condiţii, sunt

date de formulele următoare:

Mc

iD

z jN

P

jt

jC

n

jstr

.

..F14

1; (5.82)

jtn

jstr iz

Dv ...

4, (5.83)

unde z este numărul de role de la macara, dC – diametrul cablului, Dn –

diametrul mediu de înfăşurare a cablului pe TM, jC1 – randamentul

transmiterii energiei între arborele de însumare a puterii motoarelor şi cârlig, j

Pc

– coeficientul de însumatre a puterii motoarelor, it.j – raportul de

transmitere total al SM pentru treapta de viteză de ordinul j, ω – viteza

unghiulară a arborelui motorului, M – momentul de rotaţie dezvoltat de

motorul electric sau de arborele secundar al CHC (M ≡ MII). Aceste relaţii

exprimă, de fapt, o corelaţie funcţională în cadrul SM, în sensul că sarcina

de la cârlig determină, prin intermediul lanţului cinematic al SM (respectiv,

al liniei de cuplare de ordinul j) şi al lanţului cinematic de însumare a puterii

motoarelor (LCÎPM), un moment rezistent la arborele motorului, iar acesta

determină viteza lui unghiulară, în conformitate cu caracteristica

funcţională, de ieşire, a motorului. Pentru această viteză unghiulară se

stabileşte, pentru treapta de viteză respectivă, de ordinul j, viteza de ridicare

a cârligului. Această corelaţie funcţională se reprezintă schematic sub forma

următoare:

241

jstr

jstr

v

M

..

..F

Corelaţia de mai sus, se poate exprima şi sub forma ecuaţiei

funcţionale matriceale a SM, pentru treapta de viteză de ordinul j, care

înglobează ecuaţiile de mai sus:

M

iz

D

ciD

z

vjt

n

N

Pjt

jC

n

jstr

jstr

j

40

014

1

.

.

..

..F. (5.84)

Matricea pătrată diagonală din ecuaţia matriceală se numeşte

matricea caracteristicii funcţionale a SM sau matricea de transfer (de

transmitere şi transformare) a încărcării şi a mişcării în cadrul SM.

Conform acestei corelaţii, forma fiecărei curbe din diagrama de

ridicare, corespunzătoare funcţionării cu o anumită treaptă de viteză (j) şi cu

un anumit număr de motoare (Nj), este de aceeaşi formă cu aceea a

caracteristicii funcţionale a motorului. Deci, diagrama de ridicare exprimă şi

performanţele funcţionale ale motoarelor utilizate în cadrul SM.

Astfel, de exemplu în cazul acţionării DH sau DH-M, unui punct de

funcţionare al grupului DH sau DH-M îi corespunde un punct de funcţionare

al SM, conform fig. 5.45.

Fig. 5.45. Corespondenţa dintre caracteristica funcţională de ieşire a grupului

DH şi caracteristica funcţională a SM pentru treapta de viteză de ordinul j

Dacă se trece la treapta de viteză j+1, pentru care

jtjt ii..

1 , (5.85)

atunci, conform (5.82) şi (5.83), rezultă

jstrjstr ....FF 1 (5.86)

şi

jstrjstr vv....

1 , (5.87)

adică, pentru treapta de viteză j+1, curba caracteristicii funcţionale a SM se

deplasează către sarcini la cârlig mai mici şi viteze de ridicare mai mari

(vezi fig. 5.46), forma curbei fiind aceeaşi ca şi aceea a caracteristicii

funcţionale a grupului de acţionare DH.

242

În fig. 5.46 se arată DR a IF/CF a SM pentru acţionarea DH în

corespondenţă cu diagrama de variaţie a randamentului CHC, cu precizarea

porţiunilor corespunzătoare domeniului economic de funcţionare al

convertizorului (grupului DH).

Fig. 5.46. Diagrama de ridicare (DR) a unei instalaţii de foraj cu acţionare DH şi diagrama

de variaţie a randamentului CHC în funcţie de viteza de ridicare a cârligului

În cazul acţionării de tipul DEC, există corespondenţa dintre

caracteristica funcţională a motorului de c.c. cu excitaţie separată, cu

variaţia turaţiei prin variaţia tensiunii de alimentare a circuitului rotoric, şi

curba caracteristicii funcţionale a SM, pentru fiecare treaptă de viteză.

Astfel, în fig. 5.47 se arată DR a unei IF cu aceste tipuri de acţionări, cu

două motoare de c.c., şi cu patru trepte de viteze. Se observă că ridicarea

sarcinii neregulate, cu măsuri cuprinse între sarcina normală şi maximă, se

face cu prima treaptă de viteză, utilizând cele N = 2 motoare de care dispune

SM. Bineînţeles că sarcina moartă se ridică doar cu un singur motor,

folosind ultima treaptă de viteză. Este de dorit să se asigure condiţii de

funcţionare economice pentru această operaţie, adică funcţionarea motorului

la puterea nominală sau în apropierea ei.

243

În cazul acţionării DEA (cu două motoare asincrone, cu variaţia

turaţiei prin convertizoare statice de frecvenţă) a SM echipat cu o cutie de

viteză cu patru trepte, se obţine DR reprezentată în fig. 5.48. Forma curbelor

funcţionale, pentru fiecare treaptă şi pentru fiecare caz de utilizare a

motoarelor, unul sau două, este de aceeaşi formă, ca şi a motorului

respectiv.

Fig. 5.47. Diagrama de ridicare (DR) a unei instalaţii de foraj cu acţionare DEC,

cu motoare electrice de c.c., cu excitaţie separată, cu variaţia turaţiei prin variaţia

tensiunii de alimentare a circuitului rotoric

Fig. 5.48. Diagrama de ridicare, pentru un SM cu două motoare electrice asincrone, cu

convertizoare statice de frecvenţă, şi cu o cutie de viteze cu patru trepte

244

Se constată că flexibilitatea curbei funcţionale a motorului cu

convertizor static de frecvenţă determină un domeniu mult mai mare de

variaţie a vitezei de ridicare a cârligului, în comparaţie cu situaţia acţionării

DEC, cu motoare de c.c. şi variaţia turaţiei prin variaţia tensiunii de

alimentare a circuitului rotoric.

Diagrama de ridicare evidenţiază performanţele funcţionale ale SM

şi, ca urmare, reprezintă un rezultat al proiectării întregului sistem, adică

al alegerii adecvate a tipodimensiunii de grup de acţionare şi al numărului

de motoare, al proiectării LCÎPGA şi proiectării lanţului cinematic (LC) al

SM

5.10. Rezumat

Sistemul de manevră (SM) este cel mai complex sistem de lucru

(SL) al IF. De aceea, s-a acordat o atenţie deosebită acestui sistem. Astfel, în

primul rând, se prezintă funcţiunile, componenţa şi mărimile fizice

definitorii ale lui. Apoi, este studiată maşina macara-geamblac (M-G), prin

componenţa sa, prin forţele care solicită ramurile de cablu, vitezele de

deplasare a acestor ramuri, în timpul operaţiei de manevră, şi randamentul

ei. Cablul de manevră (CM), ca elementul cel mai sensibil al SM, este tratat

prin evidenţierea tipurilor utilizate în cadrul IF, a mărimilor sale

caracteristice, a modalităţii de alegere şi a fenomenelor care contribuie la

uzarea lui, în timpul exploatării. În continuare, este prezentat geamblacul de

foraj (GF), cu mărimile fizice principale, construcţia sa, tipurile constructive

şi influenţa numărului de role de la macara asupra sarcinii care-l solicită şi a

diametrului rolelor, în raport cu diametrul cablului, asupra durabilităţii

cablului. A treia parte componentă a maşinii M-G este ansamblul macara-

cârlig (MC), care face obiectul subcapitolului 5.5, unde se prezintă mărimile

şi caracteristicile principale, modalităţile de asamblare ale macaralei cu top

drive-ul, tipurile de MC şi construcţia lor. Troliul de foraj (TF) reprezintă un

utilaj foarte complex d.p.d.v. constructiv şi funcţional, care se caracterizează

printr-o mare diversitate, în funcţie de tipul acţionării, gradul de

transportabilitate a IF, mediul ambiant de lucru (terestru sau marin) şi

adâncimea de foraj. Aceste aspecte sunt reliefate în subcapitolul 5.6 şi pe

baza unor scheme cinematice şi a unor fotografii sugestive şi, de asemenea,

prin caracteristicile diferitelor tipuri de trolii. Ca parte importantă a TF,

ansamblul arborelui tobei de manevră (An.a.TM) este studiat pe baza unui

desen care evidenţiază construcţia sa şi funcţiile elementelor componente.

De asemenea, sunt prezentate mărimile dimensional-constructive ale TM şi

cele care caracterizează înfăşurarea cablului pe tobă, ca şi fenomenele care

produc uzura cablului. Echipamentul de frânare (Eq.Fr) este inclus şi el în

TF. Dar, este tratat separat, din cauza importanţei sale şi a complexităţii

constructive şi funcţionale. Astfel, sunt prezentate şi ilustrate tipurile de

frâne, construcţia lor şi caracteristicile lor funcţionale. În sfârşit, ultimul

subiect abordat se referă la diagrama de ridicare (DR), care reprezintă

diagrama caracteristicii funcţionale a SM şi care înglobează performanţele

funcţionale ale întregului sistem. Este justificată, d.p.d.v. funcţional, forma

245

curbelor caracteristice şi poziţia acestor curbe în cadrul DR. Sunt prezentate

şi interpretate DR pentru SM cu acţionare DH, EC/DEC şi EA/DEA.

5.11. Aplicaţii

Aplicaţia 5.1 (A.5.1). Să se aleagă cablul de manevră, de tipul Seale,

care să echipeze IF de tipul F200-EC, ştiind că maşina M-G a acestei

instalaţii poate fi formată dintr-un geamblac de tipul 6-32-1100GF-200 şi un

ansamblu macara-cârlig de tipul 5-32-1100MC-200 (cu mMC = 6,437 t). De

asemenea, pentru manevră se folosesc: Chiolbaşi 57×2 400 x 200 (cu m2Ch =

200 kg); Elevator cu pene/ Broască-elevator 6⅝–13⅜×320 (cu mEl.P = 2,1 t).

Rezolvare

Cunoscând tipul IF, rezultă că forţa maximă utilă de la cârlig este

'

MF = 200 tf = 200·9,81 kN = 1962 kN.

Se calculează greutatea ansamblului MC, cu relaţia cunoscută şi se

obţine:

kN ,14763s

m 9,81 t,4376

2MCG .

De asemenea, se determină măsurile greutăţii chiolbaşilor (2Ch) şi

greutăţii elevatorului cu pene (El.P) şi rezultă:

G2Ch = 1,962 kN; GEl.P = 20,601 kN.

Cu ajutorul acestor măsuri, prin însumare, se calculează greutatea

moartă la tubare, neglijând greutatea ramurilor de cablu:

G0T 85,71 kN.

Acum, putem calcula forţa totală de la cârlig cu relaţia:

g

aG

MC

TMM 10.

'FF

Se acceptă: 2m/s 1MCa

şi se obţine

kN ,44720569,81

11kN 85,71kN 1962

MF .

Se determină randamentul maşinii M-G cu formula (5.15), unde β se

admite cu valoarea 1,04, conform API, iar numărul de role de la macara este

5 (z = 5), conform tipului de ansamblu MC precizat în datele iniţiale.

Atunci, rezultă:

0,811

11,041,0452

11,0452

52

GM

Se calculează forţa maximă din RA a înfăşurării cablului cu expresia

(5.18) şi se obţine:

kN ,5692530,81152

kN ,4472056

MF .

246

Alegerea cablului se face pe baza sarcinii sale reale minime de

rupere (Sr.m), astfel încât să fie satisfăcută condiţia de rezistenţă (5.37), unde

intervine coeficientul de siguranţă pentru operaţiile de tubare şi de

instrumentaţie (cM), care se acceptă egal cu valoarea 2, şi forţa maximă din

RA a înfăşurării cablului (FM). Rezultă:

kN 507,138 kN ,5692532 mrS . .

Din tabelul 5.2, se constată că se poate alege:

Cablu Seale 6×19–32–1570 SZ,

caracterizat prin

nT = 6; nf = 19 = 1+9+9; nf.0 = 1; nf.1 = 9; nf.2 = 9;

dC = 32 mm; Rm = 1 570MPa;

tipul cablării: în cruce dreapta (SZ), adică:

sensul de înfăşurare a firelor în toron este spre stânga (S) iar sensul de

înfăşurare a toroanelor în cablu este spre dreapta (Z).

De asemenea, cablul ales se mai cararacterizează şi prin următorii

parametrii:

d0 = 3 mm; d1 = 1,45 mm; d2 = 2,6 mm; m1.C = 3,89 kg/m

şi

kN 507,138 kN 531,32 necmrmr SS ... .

Valoarea coeficienţului de siguranţă al cablului, determinat cu

expresia:

M

mrM

F

Sc . ,

este

2 ,0952 necMM cc . .

Se constată că măsura diametrului cablulului ales coincide cu aceea

care corespunde pentru rolele tipurilor de macara şi geamblac care

echipează instalaţia F200-EC.

Aplicaţia 5.2 (A.5.2). Să se aleagă tipodimensiunea de GF care să

echipeze IF de tipul F320-3DH, ştiind că instalaţia dispune de un ansamblu

macara-cârlig de tipul 5-35-1400MC-400!

Rezolvare

Instalaţia F320-3DH este transportabilă pe subansamble, pe cale

terestră, având sarcina maximă utilă de la cârlig de 320 tf (adică 'F M = 320

tf). Cunoscând tipul de ansamblu macara-cârlig cu care este echipată IF (cu

sarcina maximă de lucru, 'FC.M , de 400 tf, cu numărul de role z = 5, cu

diametrul exterior al rolei de 1 400 mm şi cu raza canalului rolei pentru

cablul cu diametrul de 35 mm), din tabelul 5.9 se alege un geamblac

monobloc, deci de tipul A, din CEq 450, adică:

A6-35-1400GF-400,

247

având: 'FGF.M =400 tf [îndeplinind, deci, condiţia (5.53)], z+1 = 6, dC = 1⅜"

= 35 mm, De = 1 400 mm, '

.F GF.Ma = 480 tf, Df = 1 265 mm, tipul

rulmentului 391 566, R.L.GFF = 708 US tonf şi mGF = 3,494 t.

Aplicaţia 5.3 (A.5.3). Să se determine parametrii dimensional-

constructivi ai TM de la troliul TFI 20 şi parametrii de înfăşurare a cablului

pe tobă!

Rezolvare

Troliul TFI 20 echipează instalaţia de foraj şi de intervenţie (IFI) de

tipul WF125 DH-T, pentru care se cunosc: z = 4; Cablu Seale 6 x 19–28–

1760 S/Z, lp = 18 m.

Se determină diametrul TM, ştiind că este necesar să fie satisfăcută

condiţia (5.56) şi că raportul DTM/dC este o funcţie de forţa maximă din RA

a cablului (vezi tabelul 5.12). Astfel, se alege

CTM dD 20 .

Rezultă

mm 560 mm 2820 TMD .

Se admite:

mm 560 TMD .

Se construieşte un manşon spiralel ale cărui mărimi dimensionale

(diametrul interior, diametrul exterior, raza canalului pentru cablu şi pasul

canalelor) se determină în funcţie de rapoartele caracteristice:

Mi

TMMi

k

DD

.

. ;

Me

TMMe

k

DD

.

. ;

Rc

Cc

k

dR

2;

p

C

k

dp .

Considerând pentru aceste rapoarte valorile:

,0251Mik.

; ,980Mek.

; 22,86dCk ; ,9460Rck ; ,9790pk ,

se obţine

mm 3,546025,1

mm 560MiD

.; mm 4,571

98,0

mm 560MeD

.;

mm 8,14946,02

mm 28

cR ; mm 6,28

979,0

mm 28p .

Se adoptă măsurile:

mm 560 TMMf DD.

; mm 540MiD.

; mm 572MeD.

;

mm 15cR ; mm 29p .

Se calculează lungimea de cablu activ care se-nfăşoară pe TM cu

expresia (5.58):

m 148 m,501842 TMCAL . .

Se consideră un val mort, cu diametrul fibrei mediane D0 exprimat

de relaţia (5.65); rezultă:

mm 588mm 28mm 5600 D .

Se adoptă:

248

v = 3.

Se consideră o aşezare intermediară a spirelor în două valuri

succesive. Atunci a se determină cu expresia (5.62), unde α se acceptă

valoarea 0,93. Se obţine:

a 0,93·28 mm = 26,04 mm.

Se calculează diametrele valurilor active cu formulele (5.66 ÷

5.69) şi rezultă:

1D 588 mm + 2·26,04 mm = 640,08 mm;

2D 640,08 mm + 2·26,04 mm = 692,16 mm;

3

D 692,16 mm + 2·26,04 mm = 744,24 mm.

Se determină diametrul mediu cu relaţia de definiţie (5.70) sau cu

formula (5.71) şi se obţine:

2DDn 692,16 mm.

Se determină numărul de spire inactive din primul val activ din

condiţia:

(20) 15 ,1010 .

e .

Se adoptă:

10.e 19.

Se calculează numărul de spire din valul 2 din condiţia:

vD

DeLe

n

TMCA

110 1..

şi rezultă

,85228

3,16692

,08640119148

e .

Se alege pentru e2 o valoare întreagă mai mare decât cea rezultată

din calcul cu 2 ÷ 3 spire. Ca urmare, se alege:

2ee 31.

Atunci numărul de spire din valul 1, calculat cu relaţia:

121 ee

este

1e 30.

Se determină lungimea activă a TM folosind relaţia următoare:

CTM dpeL ,501 ,

unde distanţa 0,5·dC este impusă de existenţa penei-segment de cerc care se

montează pe tobă, pentru a realiza trecerea cablului din valul 1 în cel de-al

doilea val.

Se obţine:

mm 884 mm 28,50mm 2930 TML .

249


1) Care este componenţa SM, considerând cele mai mari părţi principale?

2) Care este componenţa maşinii M-G?

3) Care este rolul maşinii M-G ca sistem de scripeţi?

4) În ce ramură a înfăşurării cablului apare forţa cea mai mare la ridicare?

a) RM; b) RA; c) forţele sunt egale.

5) Dar în timpul operaţiei de introducere a Gar.F?

a) RM; b) RA; c) forţele sunt egale.

6) Care sunt efectele negative asupra elementelor maşinii M-G determinate

de vitezele şi încărcările diferite ale ramurilor de cablu?

7) Caracterizaţi cablul de manevră!

8) Precizaţi solicitarea şi fenomenul asociat ei care duc la reducerea

durabilităţii CM?

9) A) Depinde încărcarea GF de operaţia efectuată (ridicare sau coborâre)?

B) Depinde sarcina utilă de la geamblac de forţa utilă de la cârlig?

10) Care este criteriul de apreciere a duratei de serviciu a cablului?

11) Enumeraţi elementele ansamblului MC, în ordinea preluării sarcinii utile

în timpul forajului, pe baza fig. 5.23!


1) Să se aleagă cablul de manevră care să echipeze IF de tipul F125-2DH,

cunoscând următoarele: m0.T = 10 t, M

Ca = 1,5 m/s2, z = 4! Să se justifice

această alegere, precizând toate notaţiile folosite!

2) Să se determine coeficientul de desime, coeficientul de flexibilitate şi cel

de cablare pentru Cablul Seale 6×19–25–1570 Z/S STAS 1689-80,

justificând şi precizând semnificaţia tuturor notaţiilor!

3) Să se aleagă tipodimensiunile de MC şi GF care să echipeze IF de tipul

F200-2DH!

4) Să se determine parametrii dimensional-constructivi ai TM de la

troliul TF 38 şi parametrii de înfăşurare a cablului pe tobă, cunoscând: z = 5;

Cablu Seale 6 x 19–35–1960 Z/S, lp = 27 m!


1) GA, LCÎPGA, TF, M-G, Tl/MA; 2) GF, CM, MC; 3) să demultiplice

sarcina de la cârlig la RA cu 2·z; 4) b; 5) a; 6) uzura neuniformă a rolelor,

rulmenţilor şi ramurilor de cablu; 7) compus, dublu, cu cablare în cruce; 8)

încovoiere, fenomenul de oboseală; 9) A) nu, B) da; 10) De/dC; 11) ciocul, 1,

2, pahar, piuliţă, rulment axial, 4, 5, oală, 7, bolţuri, 11, 8, 10, 9.

Bibliografie

5.1. * Cabluri din oţel. Uzina „Cablul Românesc” Ploieşti.



250

5.3. Hirsch, I., Curs de calculul şi construcţia utilajului petrolier de schelă. Vol. I.

Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.

5.4. * API Specification 9A. Specification for Wire Rope. American Petroleum

Institute (API).

5.5. * API Specification 9B. Recommended Practice on Application, Care, and

Use of Wire Rope for Oilfield Service. American Petroleum Institute (API).

5.6. * API Specification 8A. Specification for Drilling and Production Hoisting


5.7. * API Specification 8C. Specification for Drilling and Production Hoisting


5.8. * The Composite Catalog of Oilfield Equipment & Services. Big Book, 44th

Edition, 2000.

5.9. Wehling, B., Steckhan, H., Germany: The UTB-1 rig advances automation.

Drilling Contractor, January 1993.

5.10. Ellins, M., Computers Chart Course of Ultradeep Hole. Petroleum

Engineering International, June 1991.

5.11.* Gear Driven Drawworks.

http://www.bentec.de/products/mechanical-products/drawworks/index.html.

5.12. * Drilling Rigs. Libya ENABV Training Project. Eni Corporate University,

2006.

http://www.bentec.de/products/mechanical-products/drawworks/index.html

251

CAPITOLUL 6

SISTEMUL DE ROTAŢIE

6.1. Componenţa şi funcţiile

Sistemul de rotaţie (SR) („Rotary sistem”, în lb. en.) reprezintă unul

din cele trei sisteme de lucru principale ale IF cu ajutorul căruia se

realizează mişcarea de rotaţie a sapei de foraj, în cazul forajului rotativ

(„rotary drilling”, în lb. en.). Deci, rolul SR este de a realiza şi transmite

energia cinetică de rotaţie necesară sapei pentru foraj. Puterea de rotaţie

necesară la sapă în timpul forajului este dată de relaţia:

SSS MP ω , (6.1)

unde ωS este viteza unghiulară a mişcării de rotaţie a sapei iar MS –

momentul de rotaţie dezvoltat la sapă.

Antrenarea sapei se poate face:

indirect, de la suprafaţă, cu ajutorul mesei rotative („rotary

table”, în lb. en) (MR), a pătraţilor mari, („master bushings”, în

lb. en.), a unui antrenor („kelly bushings’, în lb. en.) şi a prăjinii

de antrenare („kelly”, în lb. en.) (vezi fig. 11.2 ÷ 11.4), sau a top

drive-ului (TD)/ capului hidraulic-motor (CH-M), prin

intermediul garniturii de foraj („drillstring”, în lb. en.) (Gar.F);

direct, la adâncime, cu un motor de adâncime (M.Ad)

(„downhole motor = DM”, în lb. en.) (electric sau hidraulic);

mixt (direct şi indirect), adică şi cu M.Ad şi cu TD, prin

intermediul Gar.F.

MR poate fi acţionată:

indirect, prin intermediul unui lanţ cinematic (LC);

direct, de exemplu, cu motoare hidrostatice ataşate de MR.

În cazul antrenării Gar.F prin MR, în situaţia în care aceasta este cu

acţionare indirectă, SR se compune dintr-un grup de acţionare (GA), un lanţ

cinematic (LC), de transmitere a mişcării de rotaţie de la GA la MR, masa

rotativă (MR) (echipată cu pătraţii mari şi pătraţii mici sau antrenorul cu

role), prăjina de antrenare (PA), capul hidraulic (CH), Gar.F şi sapa de foraj.

LC conţine transmisii mecanice (de tipul transmisiilor cu lanţuri,

angrenajelor cu roţi dinţate cilindrice, conice, şi de tipul arborilor cardanici

sincroni), unele dintre ele formând una sau două cutii de viteze (CV),

cuplaje de diferite tipuri, o frână inerţială (pentru oprirea mişcării

transmisiilor în timpul schimbării treptelor de viteză de la CV) şi o frână de

blocare a rotorului MR (utilizată în timpul strângerii îmbinărilor filetate ale

materialului tubular manevrat). LC poate să lipsească în cazul în care MR

este cu acţionare directă.

Pătraţii mari (PM), pătraţii mici (Pm) sau antrenorul cu role (An.Ro),

prăjina de antrenare (PA) şi capul hidraulic (CH), împreună cu reducţia de

legătură cu PA (RLCH), formează ansamblul de antrenare (An.An) a Gar.F.

252

Fig. 6.1 arată utilajele de suprafaţă implicate în antrenarea sapei cu

ajutorul MR, PA şi Gar.F. Gar. F şi PA sunt susţinute în capul hidraulic

(CH), care, la rândul său, este susţinut în ciocul cârligului de foraj triplex.

Fig. 6.1. Antrenarea indirectă a sapei, de la suprafaţă,

cu ajutorul MR, a antrenorului şi a prăjinii de antrenare

Fig. 6.2. Antrenarea indirectă a sapei de foraj, de la suprafaţă, cu top drive-ul (TD) şi Gar.F

În situaţia antrenării de la suprafaţă cu TD, nu este nevoie de PA, top

drive-ul (TD) fiind, de fapt, un cap hidraulic-motor (CH-M) care antrenează

el însuşi Gar.F prin intermediul unui fus de antrenare.

În fig. 6.2, se prezintă antrenarea de la suprafaţă a sapei, utilizând

top drive-ul (TD) şi Gar.F: TD acţionează Gar.F cu ajutorul fusului de

antrenare, pus în mişcare de nişte motoare, prin intermediul unor angrenaje.

SR are următoarele funcţii:

– crearea energiei mecanice de rotaţie şi transmiterea ei la sapa de

foraj, ca funcţie principală;

253

– inversarea sensului de rotaţie la PA pentru efectuarea operaţiilor

de instrumentaţie, ca funcţie secundară.

Inversarea sensului de rotaţie la PA se poate realiza astfel:

cu ajutorul unui angrenaj cilindric, aflat în com-ponenţa troliului

de foraj, şi montat în paralel (adică între aceiaşi doi arbori) cu o

trasmisie cu lanţ (tl) sau cu două tl, dacă este vorba despre o CV;

prin inversarea sensului de rotaţie a arborelui motorului electric

de curent continuu (ME c.c.), schimbând polarizaţia electrică a

maşinii, în cazul acţionării cu astfel de motoare;

prin inversarea sensului de rotaţie a arborelui motorului

hidrostatic (MHs), cu ajutorul unui distribuitor (Ds), în situaţia

acţionării hidrostatice.

6.2. Grupul de antrenare a mesei rotative

O parte din LC al SR, construită ca un ansamblu unitar, constituie

grupul de antrenare a MR (GAMR). GAMR include şi mosoarele (Ms) sau

ansamblul mosoarelor şi tobei de lăcărit (TL), dacă IF este dotată cu TL.

La IF cu mod de acţionare centralizat (MAC), unde, de obicei, TF

este montat la un nivel inferior faţă de platforma de lucru, GAMR face

legătura între transmisia intermediară a IF sau TF (în cazul în care fluxul

energetic se transmite la MR prin TF) şi MR şi reprezintă un agregat (vezi

fig. 6.3) care îndeplineşte următoarele funcţii:

– transmiterea mişcării de la TF la MR;

– realizarea unor trepte de viteză la MR, prin încorporarea unei

CV, separate de aceea din TF (care este o CV comună pentru SM

şi SR);

– blocarea rotorului MR în timpul strângerii îmbinărilor filetate ale

materialului tubular manevrat;

– antrenarea mosoarelor (Ms);

– antrenarea tobei de lăcărit (TL), în cazul în care IF dispune de o

astfel de tobă.

La IF cu mod de acţionare individual (MAI), cu acţionare electrică în

c.c., GAMR este un agregat independent, care include LC al SR, mosoarele

şi LC de antrenare a acestora, fiind acţionat separat cu ajutorul unui ME c.c

(vezi fig. 6.4).

La IF cu mod de acţionare mixt, în varianta 1 (MAM1), cu acţionare

de tipul EC, cum sunt, de exemplu, instalaţiile F100-EC şi F200-EC,

GAMR face, de asemenea, legătura între TF (care se află pe platforma de

lucru a IF) şi MR, dar nu conţine Ms, care fac parte din TF.

În fig. 6.3 se prezintă schema cinematică a GAMR de la IF de tipul

F320-3DH. Se constată că acest tip de GAMR conţine o CV, cu două trepte

de viteză, mosoarele (Ms) şi TL, TL fiind montată pe rulmenţi pe acelaşi

arbore ca şi Ms. În partea stângă, jos, se află frâna de blocare a MR,

reprezentată de un cuplaj de tipul AVB 500×200, a cărui obadă este fixată

de un perete al carcasei grupului de antrenare. Mosorul din partea de sus a

schemei poate fi blocat cu ajutorul unei frâne de blocare reprezentate de

cuplajul AVB 500×200.

254

Fig. 6.3. Schema cinematică a GAMR de la IF de tipul F320-3DH

Fig. 6.4. Schema cinematică a GAMR de la IF de tipurile

F500-DEWL, F400-EC(DEC) şi F320-EC

În fig. 6.4 se arată schema cinematică a GAMR care echipează

instalaţiile cu acţionare cu ME c.c. (MCF 850) de tipurile F500-DEWL,

F400-EC(DEC) şi F320-EC. Acest GAMR conţine o CV cu două angrenaje

cilindrice cu dinţi înclinaţi, pentru MR, un angrenaj conic pentru

transmiterea mişcării la Ms şi mosoarele (Ms), montate pe un arbore (numit

arborele mosoarelor). Mosorul din stânga (din partea de sus a schemei)

poate fi blocat prin utilizarea frânei de blocare, reprezentate de cuplajul CB

500×125.

6.3. Masa rotativă

Masa rotativă (MR) („rotary table”, în lb. en.) reprezintă, împreună

cu pătratul mare/ pătraţii mari (PM), pătratul mic/ pătraţii mici (Pm) sau

antrenorul cu role (An.Ro), prăjina de antrenare (PA), garnitura de foraj

(Gar.F) şi sapa (S), maşina de lucru a SR.

MR schimbă direcţia mişcării de rotaţie din jurul unui ax orizontal,

al arborelui de intrare (arborelui prisnel), în jurul unui ax vertical, al

rotorului şi al Gar.F, reducând turaţia, cu ajutorul unui angrenaj conic.

255

Din punct de vedere constructiv, MR este un utilaj independent care

se montează pe substructura IF, prin intermediul unor grinzi.

După modul de acţionare, se disting două tipuri de MR:

o MR acţionate indirect, prin intermediul unui lanţ cinematic (LC);

o MR acţionate direct, cu motoare hidrostatice (vezi fig. 6.13) sau

electrice.

După modul de antrenare, există, de asemenea, două tipuri de MR:

cu locaş pătrat pentru antrenare;

cu inel, cu locaşuri pentru pinteni, montat îngropat (vezi fig. 6.7).

MR îndeplineşte următoarele funcţiuni:

– transmiterea puterii de rotaţie la PA prin intermediul PM, al Pm

sau An.Ro;

– reducerea turaţiei, cu ajutorul unor angrenaje cilindrice, în cazul

MR cu acţionare directă, şi schimbarea direcţiei de mişcare la

90°, din planul orizontal în planul vertical, de la arborele său de

intrare la rotor, prin intermediul unui angrenaj conic, în situaţia

MR cu acţionare indirectă;

– preluarea sarcinii determinate de Gar.F sau coloana de burlane

(CB), susţinută în pana de foraj, respectiv în broasca cu pene, în

timpul operaţiilor de manevră (vezi fig. 6.5 şi, respectiv, fig.

6.6);

– imobilizarea contra rotirii Gar.F, respectiv a CB, în timpul

operaţiilor de strângere sau slăbire a îmbinărilor filetate ale

prăjinilor sau burlanelor;

– înşurubarea, strângerea, slăbirea şi deşurubarea îmbinării

filetate dintre sapă şi prăjina grea sau corectorul-stabilizator

(Cor.-St), prin intermediul unei scule denumite „amnar”,

introduse în PM;

– rotirea spre stânga şi deşurubarea prăjinilor de foraj sau a altor

componente ale Gar.F în timpul operaţiilor de instrumentaţie;

– rotirea spre dreapta pentru înşurubarea sculei de instrumentaţie

(dorn, tută etc.) sau prinderea prăjinilor rupte aflate în puţul de

foraj;

– preluarea momentului reactiv provenit de la motorul de

adâncime şi transmis la suprafaţă prin intermediul Gar.F, în cazul

forajului cu motor de adâncime.

Mărimile principale ale MR, grupate în cele trei categorii, sunt:

1) mărimile funcţionale:

sarcina statică maximă ( '

..F MsMR );

turaţia maximă a rotorului (nR.M);

momentul de rotaţie maxim (MR.M);

momentul de torsiune static, maxim (MR..S.M);

2) mărimile dimensional-constructive:

diametrul interior al rotorului (deschiderea MR/diametrul de

trecere prin rotor) (D ≡ DR);

distanţa dintre axul rotorului şi flanşa de antrenare (L =

lungă; S = scurtă);

256

dimensiunile de legătură la rotor, prisnel, roată de lanţ sau

flanşă pentru arbore cardanic şi batiu;

3) mărimile de anduranţă:

durabilitatea angrenajului conic;

durabilitatea rulmenţilor.

Fig. 6.5. Susţinerea Gar.F în pana de foraj (introdusă

în pătraţii mari din MR) în timpul extragerii Gar.F.

Mesele rotative, cu acţionare indirectă, construite în România, sunt

tipizate conform SR 6796 [6.2], care este elaborat în concordanţă cu API

Spec. 7K [6.3]. Conform acestui standard, mărimea nominală a MR este

diametrul de trecere prin rotor (D ≡ DR), care arată diametrul maxim de

coloană de burlane care se poate introduce (în timpul tubării puţurilor

forate) prin rotorul mesei rotative cu care este echipată o IF. Astfel, semnul

grafic de nominalizare a MR este:

MRS/MRL 10·w(D) SR 6796

unde D este diametrul interior al rotorului, exprimat în inch, [D] = in, iar

litera S sau L arată distanţa „scurtă” sau „lungă” de la centrul rotorului la

flanşa pentru arborele cardanic sau la planul median al primului rând de

dinţi ai roţii de lanţ.

După dimensiunea nominală, MR se execută în nouă tipuri, conform

tabelului 6.1.

Exemple: 1) MRS-205 înseamnă masă rotativă (MR) cu diametrul

interior al rotorului de 20½ in, cu distanţa „scurtă” de la centrul rotorului la

planul median al primului rând de dinţi ai roţii de lanţ (S = 1 118 mm) sau la

flanşa pentru arborele cardanic (S = 1235 mm). 2) MRL–205 reprezintă MR

cu DR = 20½ in şi distanţa „lungă” de la centrul rotorului la planul median al

primului rând de dinţi ai roţii de lanţ (L = 1 353 mm) sau la flanşa pentru

arborele cardanic (L = 1 470 mm).

257

Se menţionează că diametrul de trecere prin rotor reprezintă

mărimea nominală pentru toate mesele rotative construite pe mapamond.

În tabelul 6.1 se prezintă tipurile de mese rotative construite în

România şi parametrii lor funcţionali şi dimensionali, conform SR 6796.

Fig. 6.6. Susţinerea CB în broasca cu pene, aşezată pe MR, în timpul

manevrei de introducere a acesteia în puţul forat (în vederea tubării lui)

Fig. 6.7. MR cu inel, cu locaşuri pentru pinteni, montat îngropat, şi deschiderea sa [6.4]

În fig. 6.8 se arată dimensiunile principale ale MR iar în fig. 6.9

dimensiunile de legătură ale fusului arborelui prisnel. Aceste dimensiuni

sunt tipizate pentru a se asigura interschimbabilitatea cu roata de lanţ sau cu

flanşa arborelui cardanic.

În fig. 6.10 se prezintă o secţiune schematică prin MR, unde se

disting părţile componente principale, iar în fig. 6.11 se arată o secţiune din

care reiese construcţia sa şi a părţilor componente. Astfel, MR se compune

din două grupe mari de piese: grupa de piese staţionare şi grupa de piese în

mişcare.

258

Din grupa pieselor staţionare fac parte batiul (1) şi elementele de

ghidare a pieselor în mişcare (carcasa rulmenţilor radiali (10), inelul inferior

al rulmentului principal, inelul superior al rulmentului secundar etc.).

Tabelul 6.1. Tipurile de mese rotative fabricate în România şi parametrii lor

Tipul

MR

D ≡ DR,

in

(mm)

y,

mm

y1,

mm iMR

nR.M,

rot/min

'

..F MsMR ,

kN

Pa.MR,

kW

MR..s.M,

kNm

mMR,

t

MRS

130

13

(330,2) 690 – 1/3,58 300 1250 185 28 1,41

MRS

150

15

(381,0) 1118 – 1/3,50 300 1500 220 1,51

MRS

175 17½

(444,5)

1118 1210

1/3,48

300

2500

260 50

2,67

MRL

175 1353 1470 2,73

MRS

205 20½

(520,7)

1118 1235

1/3,68 300 3200 370 80

3,44

MRL

205 1353 1470 3,59

MRL

275

27½

(698,5 1353 1510 1/3,68 300 5000 445 120 5,28

MRL

375

37½

(952,5 1353 1510 1/3,48 250 6500 445 120 7,06

MRL

495

49½

(1257,3) 1651 1830 1/3,90 250 8000 445 180 9,22

Notaţii: D (DR) – diametrul nominal (diametrul de trecere prin rotor); y, y1– distanţa de la

centrul rotorului la planul median al primului rând de dinţi roţii de lanţ, respectiv la flanşa

pentru arborele cardanic; iMR – raportul de transmitere al MR; nR.M – turaţia maximă a

rotorului;'

..F MsMR – sarcina statică maximă; Pa.MR.M – puterea maximă de antrenare a MR;

MR..s.M – momentul de torsiune static, maxim (la rotor); mMR – masa.

Fig. 6.8. Dimensiunile principale ale MR

Batiul sau carcasa MR constituie suportul tuturor elementelor de

sprijin ale MR şi baia de ulei pentru angrenaj, rulmenţii axiali ai rotorului şi

rulmenţii de ghidare a arborelui prisnel. Etanşarea băii se face cu ajutorul

259

unor labirinţi (12, 13) cu două sau trei şanţuri, realizaţi pe periferia

rotorului, în partea de sus (12), şi, respectiv, pe o piesă fixată pe stator, la

interior, şi, de asemenea, pe câte o piesă ataşată de rotor, respectiv de stator

[în partea de jos (13)]. Acest tip de etanşare împiedică ieşirea uleiului din

baie şi, totodată, pătrunderea noroiului de foraj în baie, în timpul extragerii

Gar.F şi al spălării de noroi a MR.

Fig. 6.9. Dimensiunile de legătură ale fusului arborelui prisnel

Fig. 6.10. Secţiune schematică prin MR: 1 – batiu/carcasă; 2 – rotor (R);

2’ – locaş de formă pătrată; 3 – rulment superior (principal); 4 – rulment

inferior (secundar); 5 – roată dinţată conoică; 6 – pinion conic; 7 – arbore

prisnel; 8 – rulment de ghidare (radial, cu role cilindrice); 9 – rulment de

ghidare (radial-oscilant cu role butoi pe două rânduri); 10 – carcasa

rulmenţilor de ghidare; 11 – roată dinţată sau flanşă de care se montează

arborele cardanic; 12, 13 – labirinţi; D – diametrul nominal (interior al

rotorului) MR; S(L) – distanţa „scurtă” (S) sau „lungă” (L) dintre centrul

rotorului şi flanşă

Grupa pieselor aflate în mişcare de rotaţie include: rotorul (2),

rulmentul principal (3) (inelul superior şi bilele), rulmentul secundar (4)

(inelul inferior şi bilele), coroana dinţată (5), cu dantură conică, fixată de

rotor, prin bolţuri (pentru preluarea momentului de torsiune) şi şuruburi de

susţinere, pinionul (6), arborele de antrenare (arborele-prisnel) (7), pe care

260

se fixează prisnelul printr-o îmbinare cu pană paralelă, rulmentul radial cu

role cilindrice (8) (inelul interior şi rolele), rulmentul radial-oscilant, cu role

butoi pe două rânduri (9) (inelul interior şi rolele butoi), roata dinţată de lanţ

(în cazul în care transmiterea mişcării la MR se face cu o transmisie cu lanţ)

sau flanşa (11) de care se montează un arbore cardanic (în situaţia în care se

foloseşte arborele cardanic pentru transmiterea mişcării la MR).

Fig. 6.11. Secţiune prin MR: 1 – batiu/ carcasă; 2 – rotor (R); 3 – rulment superior

(principal); 4 – rulment inferior (secundar); 5 – roată dinţată conică; 6 – pinion conic; 7 –

arbore prisnel; 8 – rulment de ghidare (radial, cu role cilindrice); 9 – rulment de ghidare

(radial-oscilant cu role butoi pe două rânduri); 10 – carcasa rulmenţilor de ghidare; 11 –

roată dinţată sau flanşă de care se montează arborele cardanic; 12, 13 – labirinţi; 14 – PM

realizat din două bucăţi; 15 – bolţ culisabil de blocare a PM

Rotorul (R) are deschiderea notată cu D şi este prevăzut la partea

superioară cu un locaş de formă pătrată pentru introducerea pătraţilor mari

(PM) (15). Forma şi dimensiunile locaşului pătrat sunt tipizate, conform SR

6796 [6.2], în acord cu norma API Spec. 7K [6.3], pentru a asigura

interschimbabilitatea PM. Tot la partea superioară a rotorului se găseşte şi

un mecanism de blocare cu gheare, acţionat manual, care realizează blocarea

acestuia în ambele sensuri sau numai într-un singur sens, în funcţie de

necesităţi. Locaşele pentru introducerea ghearelor sunt realizate pe periferia

discului/ gulerului superior al rotorului. În partea de sus a rotorului există

două mecanisme de blocare, cu bolţuri culisabile, a PM (vezi fig. 6.11),

pentru a evita ieşirea acestuia în momentul extragerii penei de foraj. Rotorul

se execută prin turnare din cauza formei sale complicate.

Pinionul (6), împreună cu roata conică (5) (vezi şi fig. 6.11)

formează un angrenaj conic reducător, cu raportul de transmitere iMR 0,256

÷ 0,287, astfel încât turaţia maximă a rotorului să fie de 300 rot/min (la MR

fabricate în România). Dantura conică a angrenajului poate fi curbă sau

înclinată. Roata şi pinionul se confecţionează din oţeluri slab aliate de

îmbunătăţire sau, uneori, cu dinţi cementaţi şi căliţi [6.1].

Rulmentul principal (3), de tipul axial cu bile, preia sarcinile care

acţionează de sus în jos provenite de la Gar.F, prinsă în pana de foraj, sau de

la CB, susţinută în broasca-elevator, aşezată pe rotor.

261

Rulmentul secundar (4), tot de tipul axial cu bile, preia sarcinile care

acţionează de jos în sus, determinate de şocurile care iau naştere în timpul

forajului din interacţiunea sapei cu roca şi transmise la suprafaţă prin

intermediul Gar.F, şi de forţele de frecare care se produc la extragerea din

pana de foraj a garniturii. Prin forma lor, cei doi rulmenţi axiali asigură şi

ghidarea radială a rotorului.

Fig. 6. 12. MR echipată cu pătrat mare executat din două bucăţi. Pe suprafaţa

rotorului se văd locaşele pentru mecanismele de blocare, cu bolţuri culisabile,

a celor două bucăţi ale PM, iar în partea de sus a PM se disting locaşele pentru

mecanismele de blocare, tot cu bolţuri culisabile, a pătratului mic (Pm) sau

pătratului/ antrenorului cu role (An.Ro).

Fig. 6.13. MR acţionată direct cu două motoare hidrostatice, care antrenează în

paralel, prin intermediul câte unui pinion, o roată dinţată ce angrenează cu

coroana fixată de rotor (conform firmei WIRTH [6.4])

Arborele prisnel este ghidat de către cei doi rulmenţi (8) şi (9), care

se sprijină în carcasa (10). Aceşti rulmenţi preiau încărcările radiale şi axiale

provenite din angrenaj şi din lanţul de antrenare. Întregul ansamblu, format

262

din arborele prisnel, pinion, cei doi rulmenţi de ghidare, cu bucşele

distanţiere, şi carcasă, se introduce, după montaj, în batiu. Arborele prisnel

este prevăzut la capătul opus pinionului cu un fus pe care se montează o

roată de lanţ sau flanşa de arbore cardanic.

Mesele rotative acţionate direct, cu ajutorul unor motoare

hidrostatice (MHs) sau electrice (ME), au o construcţie asemănătoare cu a

celor antrenate indirect, numai că există doi sau patru arbori de antrenare,

poziţionaţi după direcţia axei rotorului, la care se cuplează tot atâtea

motoare prin intermediul unor cuplaje elastice cu bolţuri, iar reducerea

turaţiei se face cu ajutorul unor trenuri de angrenaje, în număr egal cu cel al

motoarelor şi cuplate în paralel la coroana dinţată, fixată de rotor. Reducerea

turaţiei se poate realiza în două sau chiar trei trepte, în funcţie de turaţia

necesară la rotor.

În fig. 6.13 se arată, pe baza unui desen, construcţia unei MR

acţionate cu două MHs, a căror turaţie este redusă în două trepte.

6.4. Pătratul mare

Pătratul mare (PM) („Master bushing”, în lb. en.) face parte,

împreună cu pătratul mic (Pm) sau antrenorul cu role (An.Ro), capul

hidraulic (CH), reducţia de legătură (RLCH) şi prăjina de antrenare (PA),

din ansamblul de antrenare a Gar.F. PM este o sculă care se introduce în

deschiderea mesei rotative (MR) (vezi fig. 6.14) pentru a permite antrenarea

în mişcare de rotaţie a PA, prin intermediul Pm sau An.Ro, în timpul

forajului, sau susţinerea Gar.F, prin intermediul penei de foraj, în timpul

operaţiilor de manevră. PM se extrage din MR în timpul tubării, pentru a

oferi secţiunea de trecere maximă pentru burlanele de tubare, în situaţia în

care el nu permite acest lucru.

Se construiesc următoarele variante de pătraţi mari (PM):

– PM executat din două bucăţi (pătrat mare cu corp divizat; „split

body master bushing”, în lb. en.), folosit pentru lucrul cu pene

scurte (vezi fig. 6.15.a);

– PM confecţionat dintr-o singură bucată (pătrat mare compact/

nedemontabil; „solid body master bushing”, în lb. en.), folosit

pentru lucrul cu pene lungi şi pentru tubare şi care poate fi

cu antrenare prin locaş pătrat („solid body square drive master

bushing”, în lb. en.), utilizat pentru lucrul cu pene lungi (vezi

fig. 6.15.b);

cu inel de antrenare pătrat, inserat, demontabil (vezi fig.

6.15.c);

cu antrenare prin bolţuri (folosind o ramă cu bolţuri), pentru

tubare („solid body pin drive master casing bushing”, în lb.

en.) (vezi fig. 6.16);

– PM articulat, pentru tubare („hinged master casing bushing”, în

lb. en.), care poate fi

cu antrenare prin pătrat (vezi fig. 6.17.a);

antrenat prin pinteni („hinged pin drive master casing

bushing”, în lb. en.) (vezi fig. 6.17.b).

263

Fig. 6.14. Introducerea unei bucăţi a PM în deschiderea MR

a b c

Fig. 6.15. Pătrat mare cu antrenare prin locaş pătrat [6.4]: executat din două bucăţi (a);

realizat dintr-o bucată (b); realizat dintr-o bucată şi cu inel de antrenare pătrat, inserat,

detaşabil (c)

Fig. 6.16. Pătrat mare realizat dintr-o bucată cu

patru locaşuri pentru bolţuri de antrenare [6.4]

264

a b

Fig. 6.17. Pătrat mare articulat [6.4]: antrenat prin pătrat (a); antrenat prin pinteni (b)

În fig. 6.15 ÷ 6.17 se prezintă cele şase tipuri constructive de pătraţi

mari.

Pentru a lucra cu pene de foraj lungi, se poate folosi şi PM realizat

din două bucăţi, în situaţia în care se introduc în el adaptere („coji”), pentru

a rigidiza partea de jos a corpurilor de pană, astfel încât aceste corpuri să nu

iasă din gaura tronconică pentru a fi supuse la solicitarea de încovoiere din

cauza împingerii laterale (a prăjinii), provocate de forţa centrifugă ce ia

naştere în timpul deşurubării cu MR a îmbinărilor filetate ale prăjinilor.

6.5. Dispozitivul de antrenare

Dispozitivul de antrenare (D.An) este o sculă care se fixează în

interiorul PM şi care serveşte la transmiterea mişcării de rotaţie la prăjina de

antrenare (PA). Există două tipuri constructive:

– D.An simplu, executat din două bucăţi, cunoscut şi cu denumirea

de pătratul mic (Pm) sau pătraţi mici;

– D.An cu role, numit şi antrenor cu role (An.Ro).

D.An simplu/ Pm formează la interior, prin montarea în PM, o gaură

de secţiune pătrată pentru utilizarea PA pătrate. Această construcţie prezintă

dezavantajul producerii unei forţe de frecare mari la contactul cu PA,

datorită suprafaţei mari de contact cu această prăjină, ceea ce determină o

uzură prematură a Pm şi a PA şi eroare în privinţa măsurării forţei de

apăsare pe sapă. De aceea, actualmente, D.An simplu se foloseşte doar

ocazional.

D.An cu role, adică An.Ro, elimină aceste inconveniente, deoarece

asigură, cel puţin teoretic, un contact liniar între rolele de antrenare şi PA.

Antrenorul cu role este numit şi antrenor multidimensional cu role

pentru că permite antrenarea unor PA pătrate şi hexagonale cu dimensiuni

diferite, în funcţie de forma şi dimensiunile rolelor cu care se echipează.

După tipul regimului de lucru, există:

An.Ro pentru regim greu/ „pătrat pentru prăjină de antrenare cu

role pentru regim greu” („heavy duty roller kelly bushing”, în lb.

en.) (vezi fig. 6.18 şi 6.19), care funcţionează în condiţii de foraj

cu moment mare şi turaţie mare;

265

An.Ro pentru regim mediu/„pătrat pentru prăjină de antrenare cu

role pentru regim mediu” („medium duty roller kelly bushing”,

în lb. en.) (vezi fig. 6.20), care lucrează în condiţii medii de foraj

din punctul de vedere al momentului şi al turaţiei.

Fig. 6.18. Antrenor multidimensional cu role pentru regim greu,

antrenat prin pătrat (RSH – „Roller Square Heavy”) [6.4]

a b

Fig. 6.19. Antrenor multidimensional cu role pentru regim greu, antrenat prin bolţuri (RPH

– „Roller Pin Heavy”) de tipurile: 20 RPH (pentru MR de 20½" şi 21") (a) şi 27 RPH

(pentru MR de 22"÷49½") (b) [6.4]

Fig. 6.20. Antrenor multidimensional cu role pentru regim mediu de

lucru, antrenat prin pătrat (RSM –„Roller Square Medium”) [6.4]

266

An.Ro pentru regim greu se execută pentru a lucra cu PA pătrate şi

hexagonale, cu dimensiunile de 3", 3½", 4¼", 5¼" şi 6", iar An.Ro pentru

regim mediu se construiesc pentru PA pătrate de 2½", 3", 3½", 4¼" şi 5¼"

şi pentru PA hexagonale de 3", 3½" şi 4¼".

După modul în care sunt antrenaţi, An.Ro pot fi:

cu antrenare prin pătrat („square drive”, în lb. en.);

cu antrenare prin bolţuri („pin drive”, în lb. en.).

An.Ro pentru regim greu se realizează atât în varianta antrenat prin

pătrat (fig. 6.18), cât şi în varianta antrenat prin bolţuri (fig. 6.19).

An.Ro pentru regim mediu de lucru se confecţionează numai în

varianta cu antrenare prin pătrat (vezi fig. 6.20).

6.6. Capul hidraulic

Capul hidraulic (CH) („Rotary swivel”, în lb. en.) este un utilaj care

face parte din ansamblul de antrenare a Gar.F, şi anume este utilajul de

legătură între cârlig (un element fix) şi prăjina de antrenare (un element

mobil, în mişcare de rotaţie) care susţine Gar.F în timpul forajului şi permite

circulaţia fluidului de foraj. El reprezintă nodul de legătură între cele trei

echipamente principale (Eq.Pr) ale IF: echipamentul de circulaţie (Eq.C), de

rotaţie (Eq.R) şi de manevră (Eq.M):

Eq.MEq.REq.CCH .

Fig. 6.21. Capul hidraulic (CH) montat în ciocul cârligului, în timpul forajului

CH este suspendat în ciocul (gura principală a) cârligului triplex, de

foraj, cu ajutorul toartei sale. La rândul său, CH susţine Gar.F prin

intermediul reducţiei de legătură (RLCH) şi al prăjinii de antrenare (PA). De

luleaua CH se montează furtunul de noroi/ foraj (FN/FF). (Vezi fig. 6.21.)

Ca urmare, funcţiunile CH sunt:

267

– susţinerea Gar.F în timpul forajului;

– permiterea rotaţiei Gar.F;

– conducerea fluidului de foraj, sub presiune, de la FN la PA, prin

lulea, ţeava de spălare, fus şi RLCH, în cazul circulaţiei directe.

Mărimile fizice principale ale CH sunt (vezi subcap. 3.5):

1) mărimile funcţionale:

sarcina maximă de lucru ( '

.F MCH );

turaţia maximă a fusului (nM);

presiunea maximă a fluidului de foraj (pM);

2) mărimile dimensional-constructive:

diametrul interior al ţevii de spălare (ŢS) (diametrul de curge-

re a fluidului de foraj) (di ≡ di.TS);

tipo-dimensiunile de legătură (cu FN, RLCH şi cârligul);

3) mărimile de anduranţă:

sarcina limită/ capacitatea în funcţie de rulmentul principal

( CHLR ..F );

durabilitatea (capacitatea de încărcare dinamică a) rulmentului

principal;

durabilitatea etanşării ţevii de spălare.

Capetele hidraulice construite în România sunt tipizate conform SR

5736 [6.6], care este elaborat în concordanţă cu API Spec. 8A [6.7] şi API

Spec. 8C [6.8].

Conform acestui standard, capetele hidraulice se execută în două

variante d.p.d.v. al tipului de rulment axial principal, care poate fi:

– rulment axial-oscilant cu role butoi;

– rulment axial cu role conice.

Conform SR 5736, mărimea nominală a CH este sarcina maximă de

lucru ( '

.F MCH ), care reprezintă sarcina limită ce poate fi aplicată la

instrumentaţie. După unitatea de măsură acceptată pentru sarcina

nominală, tona-forţă (tf) sau tona-forţă SUA (US tonf20

), se execută tipurile

(vezi tabelul 6.2):

– CH, cu [ '

.F MCH ] = tf, existând cinci mărimi incluse în clasele de

echipamente 80, 125, 200, 320 şi 450;

– CHT, cu [ '

.F MCH ] = US tonf, fiind prevăzute opt mărimi în

clasele de echipamente 80, 125, 200, 320, 450, 580 şi 680.

După temperatura minimă de lucru, se execută capete hidraulice

care lucrează în condiţii de temperatură de:

– până la –29°C;

– până la –40°C.

Ca urmare, semnul grafic de nominalizare a CH este:

CH/CHT–w( '

.F MCH ) (–40°C) SR 5736,

dacă temperatura minimă de lucru este –40°C,

sau

20

1 US tonf = 8,899485 kN; US tonf = sh.tonf ≡ tons, US tonf – tonă-forţă SUA, sh.tonf ≡

tons – tonă-forţă scurtă.

268

CH/CHT–w( '

.F MCH ) SR 5736,

dacă temperatura minimă de lucru este –29°C,

unde w( '

.F MCH ) este valoarea numerică a măsurii sarcinii maxime de lucru,

considerând ca unitate de măsură tona-forţă (tf), respectiv tona-forţă SUA

(US tonf).

Sarcina de probă a CH ( CHp .F ) este chiar sarcina maximă de lucru:

'

.. FF MCHCHp .

Exemple: 1) CH–320 (–40°C) SR 5736 este un cap hidraulic echipat

cu rulment axial-oscilant cu role butoi, cu sarcina maximă de lucru de 320tf,

care lucrează în condiţii de temperatură de până la –40°C. Conform SR

5736, acest tip de CH se caracterizează şi prin: CHLR ..F = 147 tf, pM =

35MPa; nM = 300 rot/min, di = 76,2 mm, LP 4 (filetul de legătură al lulelei

cu FF), 6⅝ REG LH (filetul de legătură cu RLCH). 2) CHT–400 SR 5736

este un cap hidraulic echipat cu rulment axial cu role conice, cu sarcina

maximă de lucru de 400 US tonf, care lucrează în condiţii de temperatură de

până la –29 °C. Din tabelul 7.6 rezultă următoarele: CHLR ..F = 253 US tonf,

pM = 35 MPa; nM = 300 rot/min, di = 76,2 mm, LP 4, 6⅝ REG LH.

Sarcina limită sau capacitatea maximă în funcţie de rulmentul

principal ( CHLR ..F ) a CH, la 100 rot/min, se determină cu relaţia (cf. [6.8] şi

[6.9]):

1600

d

CHLR

C

..F , (6.2)

în care Cd este capacitatea de încărcare dinamică a rulmentului principal

(conform catalogului de rulmenţi), la 100 rot/min, pentru durata minimă de

funcţionare de 3 000 h, pentru 90 % din rulmenţi, indicată în lbf, [Cd] =

lbf21

, şi [ CHLR ..F ] = US tonf. Deoarece în cataloagele de rulmenţi din

România se precizează capacitatea de încărcare dinamică a rulmentului

principal în kgf, pentru 500 h de funcţionare la 33,3 rot/min, atunci relaţia

(6.2) devine [6.1]:

1908

d

CHLR

C

..F , (6.3)

unde [Cd] = kgf şi [ CHLR ..F ] = US tonf.

Din analiza statistică a măsurilor lui CHLR ..F a capetelor hidraulice

construite de firmele constructoare reprezentative de pe mapamond se

constată că această sarcina limită îndeplineşte următoarea relaţie în funcţie

de adâncimea maximă de foraj (HM) (cf. [6.1]):

261075 ,30 MCHLR H

..F , (6.4)

în care [ CHLR ..F ] = US tonf şi [HM] = m. Domeniul larg de variaţie obţinut,

şi anume [30, 75]·US tonf/m2, demonstrează că firmele furnizoare de CH

apreciază după criterii diferite adâncimea maximă de foraj în funcţie de

capacitatea maximă a rulmentului principal.

21

1 lbf = 4,449738 N; lbf – libră-forţă

269

Dacă se admite că durabilitatea rulmentului principal reprezintă un

factor important pentru CH, atunci se recomandă ca adâncimea maximă de

foraj cu un CH, cu o anumită sarcină limită în funcţie de rulmentul

principal, să satisfacă relaţia următoare (cf. [6.1]):

60 ,50

103 CHLR

MH ..F

, (6.5)

unde [ CHLR ..F ] = US tonf şi [HM] = m. Aplicarea acestei recomandări

confirmă (conform [6.1]) practica, existentă pe plan mondial, de alegere a

CH cu măsura sarcinii nominale dintr-o clasă superioară celei a IF pe care o

echipează, adică:

''

. FF MMCH (6.6)

În tabelul 6.2 se prezintă tipurile de capete hidraulice construite în

România şi parametrii lor funcţionali şi dimensionali, conform SR 5736.

Dimensiunile de legătură cu cârligul, adică razele de curbură ale

suprafeţei de susţinere a toartei (E2 şi F2) şi distanţa liberă pentru

introducerea cârligului (H), sunt indicate în fig. 6.22.

Fig. 6.22. Vedere laterală (în partea stângă) şi frontală (în partea dreaptă) a CH, cu

indicarea dimensiunilor de legătură cu cârligul: razele de curbură ale suprafeţei de

susţinere a toartei (E2 şi F2) şi distanţa liberă pentru introducerea cârligului (H)

În fig. 6.23 se arată o secţiune printr-un CH, prin intermediul unei

reprezentări schematice şi a uneia constructive. Din ambele figuri se deduce

construcţia CH şi se pun în evidenţă părţile componente.

270

Tabelul 6.2. Tipurile de capete hidraulice construite în România şi parametrii lor, conform SR 5736

Clasa echipamentului

80 125 200 320 450 580 680

Tipul CH CHT-

80

CH-

60

CHT-

120

CH-

125

CHT-

200

CH-

200

CHT-

300

CH-

320

CHT-

400

CH-

400

CHT-

500

CH-

500* CHT-

650

CH-

650*

CHT-

750

'

.F MCH

I tf 60 125 200 320 400 500 650

kN 715 1070 1780 2670 3560 4450 5790 6680

II US

tonf 80 120 200 300 400 500 650 750

CHp .F I tf 60 125 200 320 400 500 650 6680

II kN 715 1070 1780 2670 3560 4450 5790

CHLR ..F I tf 63 80 103 147 210 323 386

II US

tonf 76 89 149 189 253 361 421 475

pM

I MPa 21 35

II psi 3000 5000

nM rot/min 300

di mm 70 76,2

Filetul de legătură al

lulelei la FN LP3 LP4

Filetul RLCH 4½ REG LH/ 6⅝ REG LH 6⅝ REG LH

H (cf. Fig. 7.27) mm 400 430 530 570 570 585

E2 (max) I mm 42,5 50 63,5 70 70 75 80

II mm 50 56 63 69 80 80 80 85

F2 (min) I mm 101,6 114,3 114,3 135 135 135 135

II mm 115 115 115 115 115 115 115 115

mCH t 0,637 0,64 1,25 1,58 2,50 2,22 2,43

Observaţii: 1. Şirul I de măsuri corespunde tipurilor de capete hidraulice CH echipate cu rulmenţi axial-oscilanţi cu role butoi, mai puţin cele notate cu (*), adică CH-

500 şi CH-650, care sunt echipate cu rulmenţi axiali cu role conice. 2. Şirul II de măsuri corespunde tipurilor de capete hidraulice CHT echipate cu rulmenţi axiali cu

role conice. 3. Filetul de legătură cu prăjina de antrenare (filetul reducţiei de legătură al capului hidraulic, RLCH) pentru capetele hidraulice din clasele 80 şi 125

trebuie specificat în comanda beneficiarului. 4. Măsurile masei (mCH) capetelor hidraulice, de tipurile precizate în tabel, sunt preluate din STAS 5736-82.

271

Din punct de vedere funcţional, se disting două grupe de piese:

grupa pieselor staţionare şi grupa de piese aflate în mişcare de rotaţie.

Grupa pieselor staţionare conţine: corpul/ oala (1), toarta/ biglul (3),

luleaua (13), ţeava se spălare (15) şi felinarul/ capacul (12).

Grupa pieselor rotative este reprezentată de reducţia de legătură a

CH (RLCH) (8), fusul (7) şi cutia de etanşare (16).

a b

Fig. 6.23. Secţiune prin CH (reprezentare schematică (a) şi reprezentare constructivă (b)):

1 – corp (oală); 2 – bolţ; 3 – toartă (biglu); 4, 10 – rulment cu role cilindrice (de ghidare); 5,

11 – garnituri de etanşare; 6 – rulment axial principal, cu role conice; 7 – fus; 8 – reducţie;

9 – rulment axial secundar, cu bile; 12 – felinar (capac); 13 – lulea; 14 – piuliţă inferioară;

15 – ţeavă de spălare; 16 – cutie de etanşare; 17 – etanşarea între partea superioară a ţevii

de spălare şi lulea; 18 – piuliţă superioară; 19 – şuruburi de fixare

Corpul are forma unei cuve, care constituie baia de ulei pentru

rulmenţi. La partea sa inferioară există un alezaj pentru fixarea rulmentului

inferior de ghidare a fusului, prin intermediul unei casete. Etanşarea în

această zonă se face cu garnituri de tip manşetă. De o parte şi de alta a

corpului se află două deschideri/ buzunare laterale cu găuri pentru fixarea

bolţurilor, de care se articulează toarta, şi cu orificii de scurgere, la partea

inferioară, pentru evacuarea apei sau noroiului de foraj. De corp, în partea

opusă gurii de intrare în lulea, este fixat suportul de sprijin al chiolbaşilor,

prevăzut cu elemente din cauciuc pentru amortizarea zgomotului produs

prin lovirea barelor chiolbaşilor de suport. Se menţionează că chiolbaşii

rămân agăţaţi, cu ochiurile lor superioare, în umerii (gurile laterale ale)

cârligului, împreună cu elevatorul pentru prăjinile de foraj, şi în timpul

forajului (vezi fig. 6.21). Datorită formei sale complicate, cu un scaun de

aşezare a inelului inferior al rulmentului principal, rigidizat prin nervuri,

272

corpul se realizează prin turnare, dintr-un oţel slab aliat, de construcţii de

maşini. Precizia de prelucrare a corpului, în special aceea care asigură

coaxialitatea şi perpendicularitatea locaşurilor din corp, influenţează

durabilitatea rulmentului principal, a rulmenţilor de ghidare şi a îmbinărilor

filetate de la fus şi reducţie [6.1].

Toarta (3) se articulează în corp cu ajutorul a două bolţuri (2),

prevăzute cu ungătoare cu bilă şi canale de ungere, prin care unsoarea este

condusă în interstiţiile dintre bolţuri şi suprafaţele interioare ale urechilor

toartei. Toarta se confecţionează prin forjare în matriţă, pentru a se asigura

un fibraj bun al materialului (care este un oţel slab aliat de îmbunătăţire), în

scopul conferirii unei rezistenţe şi durabilităţi mari. Dimensiunile de

legătură ale toartei cu cârligul de foraj sunt tipizate, în concordanţă cu cele

ale cârligului pe care se aşează.

Fusul (7) este prevăzut cu alezaj pentru curgerea fluidului de foraj,

cu un umăr de sprijin pe rulmentul principal şi pe care se sprijină rulmentul

secundar şi cu o mufă cu filet conic în care se înfiletează reducţia de

legătură (8). Fusul este ghidat în corp şi în capac prin intermediul a doi

rulmenţi radiali cu role cilindrice (4 şi 10). Fusul preia sarcina determinată

de greutatea Gar.F, în timpul forajului, o transmite rulmentului principal, de

la care este preluată de corp, bolţuri şi toartă, prin care, apoi, este transmisă

cârligului. Totodată, fusul este solicitat la interior de presiunea fluidului de

foraj care curge prin el, aşa că este realizat ca un tub cu perete gros.

Legătura dintre partea superioară a fusului şi ansamblul ţevii de spălare se

face cu ajutorul unei piuliţe (18).

Rulmentul principal, axial, de tipul cu role conice, sau axial-oscilant

cu role butoi, preia sarcina axială care acţionează de sus în jos, iar rulmentul

secundar, tot axial, dar cu bile, preia sarcinile care acţionează în sens invers,

determinate de şocurile care se transmit de la sapă prin Gar.F.

Corpul este închis la partea superioară de un capac (12), numit şi

felinar, datorită formei sale cu două deschideri laterale, pentru a permite

montarea şi demontarea ansamblului ţevii de spălare. Capacul are o flanşă

inferioară prin care acesta se prinde de corp. El conţine zona de ghidare a

rulmentului radial superior al fusului şi garniturile de etanşare. Mantaua sa,

de formă tronconică, nervurată, are cele două deschideri laterale. Capacul

trebuie să fie prevăzut cu un ochi de agăţare a furtunului de foraj.

De capac, în partea de sus, se prinde, prin nişte şuruburi, luleaua

(13), care asigură legătura dintre furtunul de noroi (FN)/ foraj (FF) şi ţeava

de spălare. Filetul interior de racordare a FN este de tipul pentru ţevi de

conductă, de 3 in (LP 3) sau de 4 in (LP 4) (vezi tabelul 6.2). Datorită

formei pe care o are luleaua, vâna de lichid suferă o deviere puternică la

curgerea sa, ceea ce produce fenomene de eroziune importante. De aceea,

conturul interior al lulelei este realizat cu o rază de curbură de aceeaşi

măsură la cele două capete ale sale şi cu un perete interior cât mai neted. De

asemenea, la interior, în partea concavă, peretele este îngroşat. Între cele

două capete curbate/ ramuri, la exterior, peretele este rigidizat cu o nervură,

pentru a rezista la solicitarea de încovoiere provocată de acţiunea vânei de

fluid de foraj.

273

Ansamblul ţevii de spălare este format (vezi fig. 6.23) din ţeava de

spălare (15), presetupa/ cutia de etanşare (16), care asigură etanşarea la

partea inferioară (între ţeavă şi fus), şi caseta superioară cu garnituri de

etanşare (17), care etanşează zona de legătură cu luleaua. Acest ansamblu

este de tip flotant, cu introducere şi extragere laterală, prin deschiderile

felinarului. Fiecare garnitură, de tip manşetă, se sprijină, separat, într-un

locaş al unui inel distanţier/ de sprijin (vezi fig. 6.24), astfel că efectul de

etanşare se realizează prin deformarea manşetei, care apasă pe suprafaţa

exterioară a ţevii de spălare, prin acţiunea presiunii create de fluidul de

foraj. Pe suprafaţa frontală a fusului există o garnitură, sub forma unui inel

O, aşezată în locaşul inelului distanţier inferior al presetupei. Presetupa este

solidarizată de fus cu ajutorul unei piuliţe inferioare (conform fig. 6.24) şi,

ca urmare, se roteşte, odată cu acesta, în jurul ţevii de spălare. Deci,

garniturile din presetupă freacă pe suprafaţa ţevii de spălare, fiind supuse

uzării. Pentru micşorarea efectului de frecare, se introduce unsoare în

presetupă cu ajutorul unui ungător cu bilă (cf. fig. 6.24). Caseta superioară

cu garnituri de etanşare este fixă, fiind solidarizată de lulea tot cu ajutorul

unei piuliţe (vezi fig. 6.24). Pe suprafaţa frontală a lulelei există o garnitură,

tot sub forma unui inel O, ca şi în cazul presetupei, aşezată în locaşul

inelului distanţier al acestei casete. Ambele piuliţe de prindere a

ansamblului ţevii de spălare sunt prevăzute cu filete trapezoidale care permit

înşurubarea şi deşurubarea rapidă, fie prin acţionarea cu o tijă introdusă în

locaşurile radiale, fie prin lovire în

proeminenţele existente la exterior (vezi

fig. 6.24). Datorită acţiunii erozive a

fluidului de foraj care curge prin ţeava de

spălare şi din cauza presiunii şi a frecării

dintre garniturile de etanşare ale presetupei

şi suprafaţa ţevii, ansamblul ţevii de

spălare reprezintă partea cea mai sensibilă

la defectare a CH, ceea ce justifică forma

constructivă a capacului, care permite

extragerea şi introducerea lui.

Fig. 6.24. Secţiune prin ansamblul ţevii de spălare

Fig. 6.25. Ansamblul lulea-capac, Fig. 6.26. Ansamblul fus-rulment principal

demontat de pe corp cu role conice

274

În fotografiile din figurile 6.25 şi 6.26 se prezintă diferite părţi

componente ale unui cap hidraulic de tipul CH–400.

6.7. Capul hidraulic-motor/ Top drive-ul

Între inovaţiile relativ recente care au contribuit la creşterea

eficienţei forajului, prin reducerea timpului de manevră, este „top-drive-ul”

(TD) (vezi fig. 6.27). Acesta este, de fapt, un cap hidraulic-motor (CH-M).

Astăzi, majoritatea instalaţiilor de foraj sunt echipate cu „top-drive”.

„Top-drive-ul” îndeplineşte următoarele funcţii principale:

susţine garnitura de foraj (Gar.F) în timpul forajului;

execută manevra materialului tubular;

roteşte garnitura de foraj;

roteşte coloana de burlane (CB), în cazul forajului cu CB;

permite circulaţia noroiului din furtunul de foraj în garnitura de

foraj.

Fig. 6.27.Top drive-ul de tipul VARCO suspendat în cârlig

Deci, TD îndeplineşte funcţiunile CH, dar dispune şi de o acţionare

separată de a celorlalte antoare principale, constituind, de fapt, împreună cu

grupul/ grupurile de acţionare, un sistem de rotaţie specific.

Top-drive-ul (TD) are următoarele avantaje:

275

posibilitatea de a fora cu paşi de prăjini şi nu cu prăjini/„bucăţi”

de avansare;

permite manevra de preluare a materialului tubular de la braţul

de manipulare;

elimină manevra de îndepărtare a ansamblului cap hidraulic

(CH)-prăjină de antrenare (PA), pentru a realiza introducerea sau

extragerea Gar.F;

poate roti Gar.F în timpul manevrei („Turn the Drillstring During

Trips”, în lb. en.), pentru corectarea găurii de foraj prin lărgire,

aşa încât să se evite fenomenul de prindere a garniturii în sondă

(Pipe Sticking);

conţine valva de siguranţă, de închidere a interiorului Gar.F, în

caz de erupţie, care poate fi acţionată de la distanţă, de pe

platforma de lucru a instalaţiei;

contribuie la abilitatea de a fora sonde cu rază de acţiune extinsă

(„Extended-Reach Wells/Wellbores”, în lb. en.) mai dificile.

TD este construit în acord cu API Spec. 8A [6.8] şi Spec. 8C [6.9].

Standardul de referinţă adoptat de ENI este ISO 13535 (cf. [6.10]).

TD constă din din mai multe motoare (electrice sau hidraulice),

cuplate cu nişte angrenaje corespunzătoare la un arbore gol („quill”, în lb.

en.)/ fus de antrenare, care face legătura direct cu Gar.F sau prin intermediul

unei reducţii de siguranţă/ salvare („saver sub”, în lb. en.). TD este

suspendat în cârlig („hook”, în lb. en.) (vezi fig. 6.27 şi 6.28 ÷ 6.30), aşa

încât mecanismul de rotaţie este liber să se deplaseze în sus şi în jos, în

interiorul mastului sau turlei de foraj („Derrick”, în lb. en.). Aceasta este

diferenţa radicală faţă de antrenarea de la suprafaţă a Gar.F cu masa rotativă

convenţională („conventional rotary table”, în lb. en.) şi prăjină de antrenare

(PA) („kelly”, în lb. en.), şi anume TD permite forajul cu adăugarea de paşi

de prăjini („Joint Stands”, în lb. en.) şi nu cu adăugarea unei singure

prăjini/bucăţi de avansare („single joints of pipe”, în lb. en.), cum se

întâmplă în cazul forajului cu MR şi CH convenţional (vezi „To make a

connection”22

). De asemenea, TD permite sondorului-şef să cupleze rapid

pompele de noroi (PN) sau să rotească Gar.F, în timp ce prăjinile sunt

manevrate („Tripping Pipe”, în lb. en.)/ se execută manevra materialului

tubular, ceea ce nu se poate face uşor în situaţia utilizării PA.

Nereprezentând totuşi o panaceea, TD modern îmbunătăţeşte foarte mult

22 To make a connection: „To add a length of drillpipe to the drillstring to continue drilling.

In what is called jointed pipe drilling, joints of drillpipe, each about 30 ft [9 m] long, are

screwed together as the well is drilled. When the bit on the bottom of the drillstring has

drilled down to where the kelly or topdrive at the top of the drillstring nears the drillfloor,

the drillstring between the two must be lengthened by adding a joint or a stand (usually

three joints) to the drillstring. Once the rig crew is ready, the driller stops the rotary, picks

up off bottom to expose a threaded connection below the kelly and turns the pumps off. The

crew sets the slips to grip the drillstring temporarily, unscrews that threaded connection and

screws the kelly (or topdrive) into the additional joint (or stand) of pipe. The driller picks

that joint or stand up to allow the crew to screw the bottom of that pipe into the top of the

temporarily hanging drillstring. The driller then picks up the entire drillstring to remove the

slips, carefully lowers the drillstring while starting the pumps and rotary, and resumes

drilling when the bit touches bottom. A skilled rig crew can physically accomplish all of

those steps in a minute or two.”

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=drillstring

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=derrick

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=joint

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=tripping%20pipe

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=drillpipe

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=drillstring

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=bit

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=rig

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=driller

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=connection

276

tehnologia de foraj şi aduce o contribuţie mare la abilitatea de a fora sonde

mai dificile, cu rază de acţiune extinsă. În plus, TD permite sondorilor să

minimizeze atât frecvenţa, cât şi costul per incidentul de prăjini prinse la puţ

(„Stuck Pipes”, în lb. en.).

Fig. 6.28. Top drive susţinut în cârlig (la instalaţia de foraj F320 S7)

Fig. 6.29. Vedere a cârligului triplex, de care este suspendat top drive-ul (la IF F320 S7):

acţionarea se face cu două motoare electrice de c.a. asincrone, cu variaţia turaţiei prin

convertizoare statice de frecvenţă

http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=stuck

277

Fig. 6.30. Top drive-ul este susţinut în umerii laterali ai cârligului

prin intermediul a două ochiuri de care sunt agăţaţi tijele unor

cilindrii hidraulici de echilibrare a sarcinii

Fig. 6.31. Vedere a top drive-ului (TD) deasupra mesei rotative, în care este fixată Gar.F,

cu ajutorul penelor de foraj: în TD se susţin chiolbaşii de care este agăţat elevatorul

Există pe piaţă diferite tipodimensiuni de top drive-uri fabricate de

diverse firme. Astfel, în fig. 6.32, sunt prezentate tipodimensiunile realizate

de National Oilwell, iar în tabelul 6.3 sunt concentrate datele caracteristice

ale tipodimensiunilor de TD construite de VARCO (cf. [6.10]).

Se constată că TD se caracterizează prin următoarele mărimi

principale:

o sarcina de lucru maximă/ capacitatea de ridicare API („API

hoisting capacity”, în lb. en.);

o puterea de acţionare (în Horsepower = HP/hp);

o momentul de torsiune în regim continuu („continuous torque”, în

lb. en.);

o momentul de torsiune în regim intermitent („intermittent torque”,

în lb. en.).

278

Fig. 6.32. Diferite tipodimensiuni de top drive-uri, fabricate de National Oilwell [6.10]

279

Tabelul 6.3. Datele caracteristice ale diferitelor modele de TD, construie de VARCO [6.10]

TD dispune de un manipulator de prăjini („pipe handler”, în lb. en.)

şi fiecare tipodimensiune de TD realizată de VARCO poate antrena prăjini

de foraj cu diametrul într-un interval de măsuri: 3½" ÷ 5"; 3½" ÷ 6⅝"

(conform tabelului 6.3).

Fig. 6.33. Top drive construit de VARCO [181]

Fig. 6.33 reprezintă fotografia unui TD construit de VARCO.

Fig. 6.34 ÷ 6.36 ilustrează curbele caracteristice exterioare (moment

de rotaţie/ torsiune – turaţie a fusului/ Gar.F) ale diferitelor tipuri de TD:

TDS-A, TDS-3H, TDS-4H, TDS-5 şi TDS-5H.

În tabelele 6.4 ÷ 6.6 sunt concentrate o serie de caracteristici ale TD

construite de VARCO pentru diverse IF, inclusiv pentru acelea care

echipează diferitele platformele marine de foraj.

280

Fig. 6.34. Curbele caracteristice (moment de rotaţie/ torsiune – turaţie a Gar.F) ale TD de

tipurile TDS-3A (în stânga) şi TDS-3H (în dreapta) [6.10]

Fig. 6.35. Curbele caracteristice (moment de rotaţie/ torsiune – turaţie a Gar.F) ale TD de

tipurile TDS-4H (în stânga) şi TDS-5 (în dreapta) [6.10]

Fig. 6.36. Curbele caracteristice (moment de rotaţie/

torsiune – turaţie a Gar.F) ale TD de tipul TDS-5H [6.10]

281

Tabelul 6.4. Caracteristicile diferitelor tipuri de TD VARCO, utilizate pentru IF terestre şi marine:

IDS-1, TDS-4H, TDS-4S şi TDS-8S [6.10]

282

Tabelul 6.5. Caracteristicile tipurilor de TD VARCO, utilizate pentru IF terestre şi marine:

TDS-10SA şi TDS-11SA [6.10]

283

Tabelul 6.6. Caracteristicile TD de tipul TDS-8SA, construit de VARCO [6.10]

Componenţa TD reiese din analiza fig. 6.37. Astfel, TD se montează

pe un ansamblu-cărucior („guide dolly assembly”, în lb. en.), care se

deplasează pe şinele de ghidare instalate pe mastul sau turla de foraj.

Conform fig. 6.37, TD este susţinut printr-o toartă în ciocul

cârligului triplex şi prin intermediul a doi cilindri hidraulici de echilibrare

(„counterbalace cylinders”, în lb. en.) a sarcinii suportate de el. TD poate fi

susţinut şi în toarta macaralei („travelling block”, în lb. en.), cu ajutorul

biglului său.

TD conţine un cap hidraulic integrat („integrated rotary swivel”, în

lb. en.), care permite circulaţia noroiului/ fluidului de foraj printr-o conductă

în formă de „S” („S-pipe”, în lb. en.). Fluidul de foraj ajunge în TD dintr-un

furtun de noroi/ foraj („mud/ drilling hose”, în lb. en.), care face legătura cu

o conductă montantă, ataşată de mast sau turlă, numită încărcător.

TD este acţionat de către motoare electrice (de c.c. sau c.a., cu

convertizoare statice de frecvenţă) sau motoare hidrostatice. Aceste motoare

sunt ataşate de TD şi acţionează fusul/ arborele tubular al TD, prin

intermediul câte unui tren de angrenaje, care este cuplat la o coroană dinţată

fixată de fus. Motoarele electrice sunt alimentate cu energie electrică, prin

cabluri electrice, iar motoarele hidrostatice cu energia hidraulică a unui ulei

284

de transmisii hidraulice, care circulă prin conducte rigide şi conducte

flexibile/ furtunuri, cu buclă, montate în apropierea motoarelor.

TD este echipat şi cu un ansamblu de manipulare a paşilor de prăjini

şi a Gar.F („pipehandler assembly”, în lb. en.), format din chiolbaşi („links”,

în lb. en.) şi elevator („drillpipe elevator”, în lb. en.) şi dintr-un cleşte

automat de înşurubare-strângere şi slăbire-deşurubare a prăjinilor de foraj.

Fig. 6.37. Componenţa top drive-ului: ansamblul căruciorului de ghidare (Guide Dolly

Assembly); cilindrii ansamblului/ sistemului de echilibrare (Counterbalace Assembly/

System Cylinders); cap hidraulic integrat (Integrated Swivel); conductă în formă de ‚S” (S-

Pipe); furtun standard de noroi de foraj (Standard Mud Hose); ansamblul de motoare (de

foraj) şi transmisii (Drilling Motor and Transmission Assembly)/ trenul de putere (Power

Train); furtun (în buclă) al fluidului de lucru (Fluid Service Loop); cablu (în buclă) electric

de forţă (Electrical Service Loop); ansamblu de manipulare a prăjinilor (Pipehandler

Assembly); alte elemente: macara (Traveling Block), chiolbaşi (Links), elevator de prăjini

de foraj (D.P. Elevator), racord special (Tool Joint), ghidaj de uzură a diametrului interior

al pătratului mare (Master Bushing I.D. Wear Guide), platformă de foraj (Drill Floor)

În fig. 6.37, din partea dreaptă, elevatorul („drillpipe elevator”, în lb.

en.) este prins sub racordul special („tool joint”, în lb. en.) al prăjinii de foraj

superioare de la Gar.F („drill stem/ drillstring”, în lb. en.) fixată în pene. În

acestă figură, se arată că distanţa de la partea superioară a macaralei până la

capătul superior al racordului special al prăjinii prinse în pana de foraj este

de 29,2 ft (cca. 8,9 m). Capătul superior al racordului special al prăjinii

susţinute în pana de foraj se află la un nivel de 4 ft (cca. 1,22 m) faţă de

platforma de foraj („drill floor”, în lb. en.). Chiolbaşii („Links”, în lb. en.)

285

utilizaţi au lungimea de 9 ft (cca. 2,74 m). Capetele inferioare ale şinelor de

ghidare montate pe turlă sunt situate la o înălţime de minimum 10 ft (cca.

3,05 m) faţă de nivelul platformei de foraj.

Filmul video „Overview Of Rotating Equipment” face o prezentare a

sistemului de rotaţie al unei IF

(http://www.youtube.com/watch?v=eJEA4hWwyME&feature=fvwp&NR=

1).

Utilizarea PA şi a TD este arătată în filmul video „1-2- Kelly and top

drive”, care poate fi accesat cu link-ul:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=f-

CXphc6gyw.

Despre funcţiile, componenţa şi funcţionarea top drive-ului sunt

prezentate aspecte interesante în următoarele filmele video:

„Tripping pipe with top drive”

(http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3t20Mxkm0

_Y);

„LeTourneau Direct Drive (Product Demo)”

(http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3QiUXa-

piXg).

6.8. Rezumat

La început, sunt prezentate tipurile de sisteme de rotaţie (SR),

componenţa şi funcţiile lor, folosind în acest scop şi fotografii sugestive.

Apoi, este studiat grupul de antrenare a mesei rotative (GAMR), prin

intermediul a două scheme cinematice, caracteristice pentru acţionările DH

şi cu ME c.c. Tipurile de mese rotative (MR), funcţiunile, mărimile

caracteristice şi construcţia MR fac obiectul subcapitolului 6.3. Toate aceste

aspecte sunt ilustrate cu scheme, fotografii şi parametri principali ai MR

tipizate. În continuare, sunt supuse atenţiei pătratul mare şi dispozitivul de

antrenare, prin rolurile lor în cadrul ansamblului de antrenare a Gar.F şi prin

variantele constructive utilizate actualmente, care sunt prezentate cu ajutorul

unor fotografii. Capul hidraulic este tratat tot în cadrul SR, fiind considerat

un element al ansamblului de antrenare a Gar.F, deşi el reprezintă un nod

funcţional al IF, deoarece face parte din cele trei echipamente principale.

Astfel, sunt discutate funcţiunile, mărimile fizice principale, tipurile

constructive tipizate, parametrii CH construite în România, construcţia şi

elementele cele mai sensibile la uzare în timpul exploatării, prezentând

modalităţile tehnologice, constructive, de montaj şi de întreţinere care s-au

impus pentru limitarea acestui fenomen.

6.9. Aplicaţii

Aplicaţia 6.1 (A.6.1). Să se aleagă MR care să echipeze IF de tipul

F200-2DH, în situaţia construirii unei sonde a cărei coloană de suprafaţă

(ancorare) (CS/A) are diametrul nominal de 20" şi turaţia maximă de

antrenare a sapei (nS.M ) este de 250 rot/min!

http://www.youtube.com/watch?v=eJEA4hWwyME&feature=fvwp&NR=1

http://www.youtube.com/watch?v=eJEA4hWwyME&feature=fvwp&NR=1

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=f-CXphc6gyw

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=f-CXphc6gyw

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3t20Mxkm0_Y

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3t20Mxkm0_Y

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3QiUXa-piXg

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=3QiUXa-piXg

286

Rezolvare

Alegerea MR se face pe baza diametrului nominal (D ≡ DR), a

sarcinii statice maxime ( '

..F MsMR ), a puterii de antrenare maximă (Pa.MR.M),

momentului de torsiune static, maxim (MR..s.M) şi a turaţiei maxime a

rotorului (nR.M).

Alegerea diametrului nominal al MR se face din condiţia ca să se

poată introduce prin rotorul ei coloana cu diametrul nominal cel mai mare,

respectiv

DR > DCS/A.

Rezultă că se poate alege o MR cu:

DR > 20".

Sarcinii statică maximă trebuie să indeplinească condiţia:

''

.. FF MMsMR .

Din datele iniţiale rezultă că:

kN 1962 tf200 'FM

Deci, trebuie ca MR aleasă să satisfacă condiţia:

kN 1962'

..F MsMR .

Se constată că instalaţia F200-2DH poate fora până la adâncimea

maximă (HM) de 4 000 m. Atunci, se poate calcula MR..s.M cu relaţia empirică

următoare:

MMsR HM 31015.. ,

unde [HM] = m şi [MR..s.M] = kN. Rezultă:

kNm 60kNm 40001015 3 MsRM .. .

Puterea de antrenare maximă se apreciază în funcţie de puterea

maximă la PA cu expresia:

MR

MPAMMRa

PP

.

.. ,

în care randamentul MR se poate considera cu vsalori în domeniul 0,84 ÷

0,95. Se acceptă ηMR = 0,84.

Puterea maximă la PA se calculează cu o relaţie empirică datorată lui

Avakov [6.1]:

MMPA HP 310,545. ,

unde [HM]= m; [PPA.M] = kW.

Se obţine:

kW 182kW 40001045,5 3 MPAP . ;

kW ,7216,840

kW182

MMRaP .. .

Turaţia maximă a rotorului se alege maim mare decât turaţia maximă

de antrenare a sapei:

nR.M > nS.M,

adică

287

nR.M > 250 rot/min.

Pe baza rezultatelor de mai sus, din tabelul 6.1 se alege o MR de

tipul MRL 205, cu: D = 20½"; '

..F MsMR = 320 tf; Pa.MR.M = 370 kW; MR..s.M =

80 kNm; nM = 300 rot/min.

Aplicaţia 6.2 (A.6.2). Să se aleagă CH care să echipeze IF de tipul

F200-2DH!

Rezolvare

Alegerea CH se face pe baza condiţiei (6.6). Rezultă că trebuie să se

aleagă un CH care să îndeplinească relaţia:

kN 1960'

.F MCH .

Astfel, din tabelul 6.2 se poate alege fie un CH de tipul CHT-300, cu '

.F MCH = 300 tonf = 2 670 kN şi cu rulmentul principal de tipul cu role

conice, fie un CH de tipul CH-320, cu '

.F MCH = 320 tf = 3 139,2 kN şi cu

rulmentul principal de tipul cu role butoi.


1) De cine este produsă sarcina care acţionează asupra MR şi în timpul căror

operaţii?

2) Care sunt elementele mesei rotative şi sculele introduse în ea sau sprjinite

pe ea care preiau această sarcină ce acţionează de sus în jos, în această

ordine?

3) Care sunt rolurile: A) locaşului de formă pătrată, B) angrenajului conic,

C) labirinţilor?

4) Care sunt elementele cele mai sensibile la uzare ale mesei rotative?

5) Care sunt elementele aflate în mişcare de rotaţie ale capului hidraulic,

considerate dinspre prăjina de antrenare (PA)?

6) Cine antrenează în mod direct aceste elemente?

a) fusul; b) MR; c) PA; d) reducţia de legătură a CH.

7) Care sunt elementele cele mai sensibile la uzare/ defectare ale CH şi

datorită căror fenomene?

8) Ce măsuri constructive au fost luate pentru a rezista sau pentru a fi

înlocuite rapid aceste elemente sensibile la uzare ale CH?


1) Să se aleagă MR care să echipeze IF de tipul F320-EC, în situaţia

construirii unei sonde a cărei coloană de suprafaţă (ancorare) (CS/A) are

diametrul nominal de 20" şi turaţia maximă de antrenare a sapei (nS.M ) este

de 250 rot/min!

2) Să se aleagă CH care să echipeze IF de tipul F400-4DH!

3) A) Să se precizeze, în ordinea de jos în sus, elementele capului hidraulic

care preiau sarcina datorită ................................................., în timpul

288

...............! B) Care sunt acţiunile la care sunt supuse fusul, ţeava de spălare,

luleaua şi toarta?


1) manevră: Gar.F; tubare: CB; 2) manevră: pene de foraj, PM, rotor,

rulment axial principal, carcasă; tubare: broasca cu pene, rotor, rulment

axial principal, carcasă; 3) A) antrenare a PM; B) schimbarea direcţiei de

mişcare cu 90 ° şi reducerea turaţiei la rotor; C) etanşarea băii de ulei; 4)

angrenajul conic, rulmentul axial principal, rulmenţii arborelui prisnel; 5)

reducţia de legătură a CH, fusul, inelul, superior al rulmentului principal,

cutia de etanşare; 6) c; 7) luleaua (eroziune), garniturile din cutia de etanşare

(frecarea cu ţeava de spălare), ţeava de spălare (eroziune la interior, frecare

la exterior cu garniturile), rulmentul principal (frecarea elementelor de

rulare, presiune de contact), toarta (frecare, presiune de contact); 8) lulea:

perete interior superior îngroşat, rigidizare; cutia de etanşare: ungere

(ungător cu bilă), înlocuire rapidă (deşurubare-înşurubare rapidă, datorită

filetului traprezoidal; felinar), durificarea suprafeţei exterioare a ţevii de

spălare, suprafaţă fină, cromare).

Bibliografie



6.2. * SR 6796, Utilaj petrolier. Mese rotative. Institutul Român de

Standardizare, iulie 1995.

6.3. * API Spec. 7K, Specification for Drilling Equipment. American Petroleum

Institute (API).

6.4. * Composite Catalog of Oil Field Equipment & Services. Big Book, 44th

Publishing by World Oil, Gulf Publishing Company, 2000.

6.5. * Catalog de scule de manevră. STEROM S.A. Câmpina.

6.6. Bublic, A., Cristea, V., Hirsch, I., Peligrad, N., Silion, Gh., Utilaj petrolier

pentru foraj şi extracţie. Editura tehnică, 1968.

6.7. * SR 5736, Utilaj petrolier. Capete hidraulice. Institutul Român de

Standardizare, septembrie 1994.

6.8. * API Spec. 8A – Specification for Drilling and Production Hoisting


6.9. * API Spec. 8C – Specification for Drilling and Production Hoisting


6.10. * Drilling Rigs. Libya ENABV Training Project. Eni Corporate University,

2006.

Date post:	18-Jul-2016
Category:	Documents
Upload:	valadris
View:	400 times
Download:	59 times

Utilaje Petroliere Curs

Documents