автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Применение объемной гидропередачи в приводе ротора буровой установки для повышения показателей бурения и снижения аварийности с бурильным инструментом

ВВЕДЕНИЕ . ST

Глава I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ДИНАМИКИ ПРИВОДА РОТОРА

БУРОВОЙ УСТАНОВКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Практическая целесообразность исследования динамики привода ротора буровой установки.

1.2. Анализ динамики процесса роторного бурения.

1.2Л. Источники вынужденных крутильных колебаний в объемном гидроприводе ротора . W

1.3. Анализ динамики переходных процессов . Щ

1.4. Постановка задач исследования

Глава П. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДМШШЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМНОМ ГИДРОПРИВОДЕ РОТОРА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ В РЕШМЕ РОТОРНОГО БУРЕНИЯ 1\

2.1. Расчет собственных частот системы . Z\

2.1.1. Расчетная схема. 1\

2.1.2. Метод расчета собственных частот.

2.1.3. Обсуждение результатов вычислений

2.2. Определение резонансных режимов работы.И

2.2.1. Резонансные точки в системе "двигатель-насос" kh

2.2.2. Резонансные точки в системе "мотор-тормоз". 45"

2.2.3. Резонансные точки в системе "мотор-бурильная колонна".kl

Глава Ш. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДШШЖЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМОМ ГИДРОПРИВОДЕ РОТОРА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.

3.1. Разработка математической модели дроссельного предохранительного клапана с переливным золотником и программы её решения на ABM.5Z

3.2. Оценка допущений, принятых при моделировании процесса срабатывания предохранительного клапана.

3.2.1. Гидравлическое сопротивление

3.2.2. Гидравлическое сопротивление I .6*/

3.2.3. Гидравлическое сопротивление 2.

3.2.4. Шариковый клапан

3.2.5. Гидравлическое сопротивление сливной щели.72.

3.3. Влияние параметров клапана на динамику переходного процесса

Глава 17. СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ И

ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ НАТУРНОГО ОБРАЗЦА ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА РОТОРА S

4.1. Методика стендовых исследований . S

4.1.1. Датчики и приборная техника в стендовых исследованиях

4.1.1.1. Датчики.

4.1.1.2. Усилительная и регистрирующая аппаратура. 4о

4.1.2. Определение погрешностей при динамических исследованиях. Щ

4.2. Анализ экспериментального материала. -fog

4.2.1. Осциллографические записи резонансных режимов работы объемного гидропривода ротора

4.2.2. Экспериментальные исследования конструктивных параметров клапана и динамики внешней нагрузки, оказывающих "сильное" влияние на динамические показатели защитной системы привода. Ц

Глава У. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ОБЪЕМНОГО

ГИДРОПРИВОДА РОТОРА ПРШ. \

5.1. Методика промышленных исследований и испытаний . /

5.I.I. Объект исследования. 4£

5.1.1.1. Краткая техническая характеристика привода ПРШ.

5.1.1.2. Устройство и назначение элементов привода

5.1.2. Исследовании и испытания объемного гидропривода ротора в режиме роторного бурения . II

5.1.3. Исследования объемного гидропривода ротора при переходных процессах . Щ

5.1.4. Датчики и приборная техника, применявшаяся в промышленных исследованиях и испытаниях.Ш

5.2. Результаты инструментальных измерены! динамики привода ПРШ.«О

5.2.1. Режим роторного бурения.

5.2.2. Переходный режим работы.

5.3. Эффективность бесступенчатого регулирования частоты вращения стола ротора.

5.4. Использование привода ПРШ для дистанционного контроля за износом вооружения долот и их опор, а также за крутящим моментом турбобура.ДО

5.5. Экономические показатели привода ПРШ.МБ основные вывода и рекошэдации.tfo

В соответствии с контрольными цифрами на XI-ю пятилетку, принятыми 26-м съездом КПСС, добыча нефти (с газовым конденсатом) к 1985 г. планируется в размере 620.645 млн.тн. Нефть и газ займут в топливном балансе страны 65$, а проходка разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ в 1985 году удвоится. Причем; предполагается увеличить проходку скважин, сохранив численность буровых бригад. Количество буровых установок сохранится, примерно, на современном уровне.

Для решения поставленной задачи, наряду с увеличением производительности труда, внедрением прогрессивной технологии бурения, применением более качественных материалов и инструмента, принципиальное значение имеют разработка и создание новой буровой техники, позволяющей значительно повысить показатели бурения.

Одним из основных агрегатов буровой установки, участвующих в бурении скважин, является ротэр и привод к нему*

Анализ соотношения числа буровых установок для глубокого разведочного и эксплуатационного бурения показывает, что большинство эксплуатируемых и выпускаемых сейчас буровых установок составляют установки типа Бу-ЗД и Бу-4Э. Эта ситуация сохранится и на ХП пятилетку.

Выпуск буровых установок с регулируемым приводом ротора от электродвигателя постоянного тока достигнет в 1990 году только 4,9$ от общего выпуска буровых установок.

Основная масса буровых установок имеет ступенчатое регулирование частоты вращения стола ротора, что, как правило, не позволяет подбирать оптимальный режим бурения.

Существующие приводы ротора не позволяют ограничить скачок крутящего момента, возникающий при заклинивании или прихвате бурильного инструмента в скважине, что часто приводит к тяжелым авариям.

Как показывает опыт, применение объемной гидропередачи в приводе ротора буровой установки существенно повышает показатели бурения и снижает аварийность с бурильным инструментом. Кроме того, применение объемной передачи позволяет вести дистанционный контроль за износом вооружения и опор буровых долот и за крутящим моментом турбобура при турбинном бурении.

В связи с этим работа посвящена модернизации нерегулируемых приводов ротора, для чего разработаны методы, позволяющие на стадии расчета и эскизного проектирования рассчитывать и изменять в нужном направлении динамические показатели объемного гидропривода ротора буровой установки. Результаты диссертационной работы использованы ВНЙЙНЕФТЕМАШем при выполнении постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР. (Постановление № 261, приложение 8).

Бесступенчатое регулирование частоты вращения стола ротора увеличивает производительность глубокого бурения, обеспечивая увеличение механической скорости бурения на 30, а рейсовой - на 2Ofo /46/.

Значительное количество аварий с бурильным инструментом и элементами привода ротора в нефтепромысловой практике, кроме поломок, связанных с усталостными явлениями, объясняется перегрузкой из-за переходных процессов (пуск, заклинивание и прихваты инструмента в скважине) /60/.

Серьезным недостатком, на наш взгляд, является отсутствие в приводе ротора существующих буровых установок элементов, ограничивавших или регулирующих крутящий момент, что делает невозможным применение бурильных труб малого диаметра, необходимых для роторного бурения глубоких скважин, а также затрудняет ведение аварийных работ.

В работах /4/, /27/, /63/ показана высокая эффективность

7. моментометрии в приводе ротора буровой установки. Постоянный контроль за величиной и характером кутящего момента на столе ротора позволяет следить за износом вооружения и опор долота, избежать аварий, связанных с разрушением опор долота. Методы, используемые при моментометрии, позволяют полностью отрабатывать долота, что значительно сокращает время спуско-подъемных операций и увеличивает проходку на долото в эксплуатационном бурении на 28, а в разведочном на 23$ /63/. Однако, выпускаемые буровые установки не имеют штатных моментомеров.

Создание объемного гидропривода ротора буровой установки представляет собой трудоемкую и специфичную для буровых установок задачу. Системап8абой-буршгьный инструмент - привод ротора - первичный двигатель" является сложной, многомассовой динамической системой, включающей в себя длинные податливые шланги, соединяющие насосный и моторные блоки, бурильный вал, достигающий длины нескольких километров, который многие авторы /8/,/Л9/ предлагают рассматривать как систему с распределенной массой, которая находится под воздействием множества генераторов колебаний.

Для создания работоспособного объемного гидропривода ротора буровой установки необходимо исследовать динамические процессы, происходящие в системе как в переходном режиме, так и в режиме роторного бурения. На базе теоретических и экспериментальных исследований, с целью сокращения времени и средств, необходимо создать методики, позволяющие на стадии расчета и проектирования объемного гидропривода ротора рассчитывать и улучшать его динамические показатели.

Настоящая работа является попыткой решить эти вопросы. Необходимо так же отметить, что предлагаемая работа является практически первой в этом направлении. t

Выводы:

I. Нашли зксперементальное подтверждение такие технологические преимущества привода ИРГ" как:

1.Г. эффективность бесступенчатого изменения скорости вращения стола ротора при подборе оптимальных режимов бурения; Г.2. снижение аварийности долот и бур.инструмента благодаря защитна свойствам привода ПРИ »

1.5. возможность дистанционного контроля за отработкой вооружения долот и спор.

2. Момента привода ПРГМ недостаточно для работы в сложных условиях (прп бурении нового ствола по клину на глубине более 65 л при не пользсваггги бурового раствора ПБР).

3. Система Фильтрации,в процессе работы привода, при использованг:к фильтров ДГ-оСО габота^га надежно. t

- Ь

4. Рабочая жидкость (смесь,масел индустриального 50 и нерзтенеого) с присадками ШИ-Э и ЛЗ-318 обеспечили безаварийную, по износу, работу привода.

5. Целесообразно ЗНШЬефтемаау и ШКХ>:и ГП разработать нобыГ* гидрообъемный привод ротора большей мощности для роторного бурения глубоких сгаанин.с учетом опытной эксплуатации пригспа ПТМ.

ТТ-7 20.10.76

1. Аваков В.А. Расчеты бурового оборудования.М.."Недра",1973.

2. Александров М.М. О характере вращения бурильной колонны. Известия высших учебных заведений. "Нефть и Газ",М.Баку,1968.

3. Архипов К.И. О роли коэффициента динамичности при расчете элементов бурового оборудования."Нефтяное хозяйство",МО,1966.

4. АЁрапетов В.А., Андрианов В.Р. и др.Контроль параметров процесса бурения.М.,"Недра", 1973.

5. Ашавский A.M., Белюш Ю.Г., Вольперт А.Я. Применение АВМ для расчета и проектирования переходных процессов гидрообъемного привода ротора буровой установки. ЦИНТИШЛНЕФТЕМАШ, НРГС. "Химическое и нефтяное машиностроение", № 2, 1979.

6. Ашавский A.M.. Белкин Ю.Г.. Вольперт А.Я. Защитные свойства гидрообъемного привода ротора буровой установки. ЦИНТИШЛ-НЕФТЕМАШ. НРГС."Машины и нефтяное оборудование", !Ь 3.1979.

7. Балшцшй П.В. Упругие волны в бурильной колонне и динамика её взаимодействия с недефорглируемыгл плос1шгл забоем. Труды МИНХ и Ш им.И.М.ТУбкина.Бурение и крепление сква}шн.Выпуск 60. М.."Недра". 1966.

8. Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. М. ."Недра", 1975.

9. Балицкий П.В. Отскоки шарошечного долота от забоя при бурении скважин. Труды МИНХ и ГП им.И.М.Губкина.Выпуск 60. Бурение и крепление схшажин. М.,"Недра", 1966.

10. Башта Т.М. Объе^шые насосы и гидравличес1ше двигатели гидросистем. М. ,"Машиностроение", 1974.

11. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов.М., "1\кшиностроение", 1967.

12. Башта Т.М. Заиченко И.З. и др. Объемные гидравлические приводы. М.."Машиностроение", 1969. -f53.

13. Беликов Б.Г., Посташ А. Рациональная отработка и износостойкость шарошечнЕК долот",М., "Недра", 1972

14. Балкин Ю.Г., Корнев A.M. Гидрообъемный привод ротора ПРГ.М., ЦШТИШ^ШЕФТЕМАШ, HTPG "Нефтепрошсловое машиностроение", Ih 3, 1967 г., C.I...2.

15. Белкин Ю.Г., Осипов К.Г. Гидравличес1ши привод ротора ПРГ.М., ЦИНТИХШНЕФТЕМАШ, НТРС "Нефтепромысловое машиностроение",IS 4, 1971г.,с.5.

16. Белкин Ю.Г. Опыт проектироваЕ-шя с использованием дТЩ гидро- объетшого привода ротора буровой установи! с безрезонансными режимами работы. ЦИНГИХИМНЕФТЕММ, HPTG "Химическое и нефтяное машиностроение", № I, 1979.

17. Белкин Ю.Г., Кронгауз B.C. Анализ резонансных явлений в гидро- объеглном приводе ротора буровой установ1СИ. "Новое оборудование для бурения и добычи нефти". Сборник научных трудов.Москва, ВНИИнефтемаш, 1977.

18. ШНГХЭМ. Проблемы буримости горных пород. "Инженер-нефтяник", т 44-52. 1964, Ш 1-3, 1965.

19. Брентли Д.Е. Справочные по роторному бурению. М.,"Недра",1964.

20. Веремейкин Б. Я. Параьтетрические колебаьшя бурильной колонны при вращательном бурении. ВНИИОЭНГ, "Машины и нефтяное оборудование", Ш 7, 1975.

21. Веремейкин Б.Я. Исследование влияния динами1ш работы бурильного инструмента с твердосплавными корошсагян на механическую скорость бурения.ВНИИОШГ "Машины и нефтяное оборудование",.й5, 1973. т.

22. Веремейкин Б.Я., Симкин В.Я. Дннамическая устойчивость колонны бурильных труб. ВНИИОЭНГ "1\Дашины и нефтяное оборудование", ЛЗ, 1969.

23. Влад И. Исследование 1шнематики и динамики подъемного механизма буровых установок с дизельныгл приводом. 1{анд.диссертащя, Москва, 1964.

24. Бласенко Н.В. Движение колонны бурильных труб с учетом изменения формы её равновесия. Научные записки Львовского политехнического института, ВЫП.ХХ1У, В 7, 1954.

25. Волков Е.А. Численные методы. М. ,"Hayica",I982.

26. Вопияков В.А., Колесников П.И., Афонин Л.А. и др.Диспетчерское управление буровыми работами. М.,"Недра", 1974.

27. Гавриленко Б.А., Минин В.А.,'Роадественский С М . Гидравлический привод.,М.,Машгиз 1968.

28. Гаддиев Ф.М. Динамика нефтяных вышек при спуско-подъемных операциях."Азерб.нефт.хоз." ,М, I96I.

29. Гамынин Н.С, Каминер Я.А. и др.Гидравлический следящий привод. М., "Машиностроение", 1968.

30. Голубенцев А.Н. Динамика переходных процессов в машинах со многими массами.М., Машгиз, 1959.

31. Гидропривод и гидроавтоматика в машиностроении. Сборьшк статей. М.,"Машиностроение", 1966.

32. ГОСТ 16293-82 Установки буровые комплектные для эксплуатационного и разведочного бурения. Основные параметры.

33. Гийон М. Р1сследование и расчет гидравличес1шх систем.М., "Машиностроение", 1964.

34. Дизели типа В-2 (I24I5/I8, I24HI5/I8). Описание и руководство по эксплуатации. Свердловск, 1967.

35. Колебания элементов аксиально-поршневых гидромашин. Под редакцией д-ра техн.наук проф.К.В.Фролова.М. ,"Ь1ашиностроение",1973.

36. Комаров А.А. Надежность гидравлических систем.М., "Машиностроение", 1969.

37. Комаров М.С., Еалшши Г. Динамические нагрузки талевых сие - тем буровых установок. Сб.Ленинградского политехнического института. "Некоторые вопросы динамики машин", J.^ 2,I959.

38. Комаров М.С. Динамика механизмов и машин. М.,"Машиностроение", 1969.

39. Кулагин А.В., Демидов Ю.С, Прокофьев В,Н., Кондаков Л.А. Основы теории и конструирования объегшых гидропередач. ,М. ."Высшая Ш1сола", 1968.

40. Личинян Л.А., Угаров А. Конструировагше, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений","Недра",1975.

41. Левочкин Ю.А. Исследование динамики механизмов, вращающих бурильную колонну, в буровых установках с дизельныгл приводом. Канд.диссертация.,Москва,1968.

42. Льюис Э.,Стерн X. Гидравличес1ше системы управления.М. ,"Шр", 1966.

43. Моцехоин А. , Кули-Заде П. Б. Регулируемый электропривод в приводе ротора как средство повышения эффективности роторного бурения. ВНИИОЭНГ,"Машины и нефтяное оборудование", Ш 10,1970.

44. Шрзаджанзаде А.X.,Керимов З.Г., Копешшс М.Г. Теория колеба- 15В. НИИ в нефтепромысловом деле. Баку,"Маари(Т)", 1976.

45. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний, М.,Машгиз,1968.

46. Пановко М.Г., Хубанов И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.!., "Наука", 1964.

47. Пановко Я.Г. Основы пршсладной теории упругих колебаний.М., "Машиностроение",1967.

48. Паслей,Боги. Колебания буровой колонны. "Конструирование и технология машиностроения".И.Л. ,1^2,1963.

49. Пономаренко Ю.Ф. Испытание гидропередач. М.,"Машиностроение", 1968.

50. Посташ А. Проблеглы исследования износа опор шарошечных долот Тр.Сев.Кав.НИИ,вып.8 М, "Недра", 1969.

51. Прижалковский А.Л., Шучинский Х. Электромагнитные клапаны. Л.,"Машиностроение", 1967.

52. Резников Р.А, Решение задач строительной механшш на ЭЦВМ. Из-во литературы по строительству.М., I97I.

53. Рощушшн В.И., Ловчев СВ., Залкин А. Исследование пневматической системы регулирования подачи поршневого бурового насоса. Труды ВНИИнефтемаша.М.,"Машиностроение", 1975.

54. Рощупкин В.И., Дурдукский В.В., Кронгауз B.C., Ловчев С В . Исследование нагрузок, действующих на приводную часть бурового насоса с пневморегулятором. Труды ВНИИыефтемаша. Ш.,"Машиностроение", 1975.

55. Сароян А.Е. Основы расчета бурильных колонн.М.Гостоптехиздат, I96I.

56. Сароян А.Е. Проектирование бурильных кол они. М. "Недра", 1971.

57. Семеновых А.В. Исследование динамики бурового насоса с электроприводом. Канд. диссертация.,Москва,1966.

58. Семенцов Г.Н., Локотош Б.Н. и др. Автоматизация и средства контроля при бурении скважин. У)кгород, "Карпати", 1975. 161.

59. Симаков Ф.Ф. Исследование крутильных систем ч.1,П.Изд.ШТУ им.Н.Э.Баумана, I97I.

60. Симонянц I.E. Собственные колебания бурового инструмента. "Нефть и газ" }Ь II, 1959.

61. Симонянц. Л.Е. Разрушение горных пород и рациональная характеристика двигателей для бурения.М.,"Недра",1966.

62. Справочншс машиностроителя.т.Ш,М. ,Машгиз, 1962.

63. Терских В.П. Расчет крутильных колебаний силовых установок. Справочное пособие Т.1...1У. Машгиз.1954.

64. Тимошенко С П . Колебания в инженерном деле.М. ,"Шука",1967.

65. Уилкинсон,Раинш. Справочные алгоритмов на языке. Алгол. Линейная алгебра.М. ,"1Лашиностроение",1976.

66. Федоров B.C. Теоретические основы бурения. Гостоптехиздат,М., 1956.

67. Челомей B.C. Вибрация в технике.М.,"Машиностроение",1978.

68. Чефранов К.А. Регулирование процесса бурения."Недра",М.,1972. 74. 1Ш,1Идт А.П. Сравнительное исследование вспомогательных электромагнитных тормозов буровой лебедки. Канд.диссертация.,Москва, 1978.