автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка расчетных методов оценки качества спуско-подъемного комплекса буровых установок

02-3 2456 - X

На правах рукописи

Жабагиев Аслан Мухамедиярович

Разработка расчетных методов оценки качества спуско-подъемного комплекса буровых установок

Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы (в нефтяной и газовой промышленности)"

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2002

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа

им. И.М. Губкина

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Ефимченко С.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иткис М.Я. кандидат технических наук Левочкин Ю.А.

Ведущее предприятие: ОАО ВНИИНефтемаш

Защита состоится «>2.3 » ¿->г- ¿ря 2002 года в у 4 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119991, В-296, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65. ^^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2002 года.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

_ Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из наиболее важных проблем в создании наиболее эффективного и производительного бурового оборудования, является квалифицированная оценка уровня качества существующих и вновь проектируемых буровых установок.

Существующие методики оценки качества буровых установок базируются на экспертные методы и не включают в себя оценку компоновочно-кинематического совершенства, энергонасыщенности и рациональности использования мощности привода, определение производительности спуско-подъемного комплекса буровых установок (энергозатрат и затрат машинного времени при СПО) и ресурса несущих элементов бурового оборудования. Отсутствуют также методы оценки многих эргономических факторов и трудозатрат членов буровой бригады в процессе эксплуатации буровой установки и влияния на них различных средств механизации. Задачей данного исследования является восполнение имеющегося пробела в этой проблеме.

Цель исследования. Настоящая диссертация посвящена разработке математической модели функционирования спуско-подъемного комплекса буровой установки (СПК БУ) при СПО и разработке программ расчета на ЭВМ производительности СПК. позволяющих оценить совершенство силового привода подъемного комплекса буровой установки, оптимизировать его конструкцию и режим эксплуатации по критерию минимизации затрат машинного времени, оценить энергозатраты при СПО, разработать методику расчета ресурса зубчатых передач привода буровой установки и оценить ресурс планетарной КПП привода лебедки, выраженный количеством пробуренных скважин.

Научная новизна. Предложено дополнить существующую номенклатуру показателей качества СПК буровых установок и их комплексов новыми показателями, такими как, энергозатраты и затраты машинного времени при СПО за цикл бурения скважины, ресурс несущих элементов СПК БУ и его сборочных единиц, показатели эргономичности, транспортабельности и

момтажепри годности. Разработаны расчетный метод и программное обеспечение определения энергозатрат и уточнение расчетного метода затрат машинного времени при выполнении спуско-подъемных операций за цикл бурения скважины. Проведен анализ влияния максимальной скорости подъема незагруженного элеватора на затраты машинного времени при СПО. Разработана методика и программное обеспечение расчета ресурса зубчатой передачи планетарной КПП в приводе лебедки, учитывающие прочностную характеристику зубчатой пары и нагрузочную характеристику за цикл бурения скважины.

Практическая ценность. Расчетами показано, что буровая установка БУ 2500-ЭП по сравнению с БУ 2500-ДГУ и 2500-ЭУ имеет лучшие эксплуатационные показатели, а именно: затраты машинного времени на СПО за цикл бурения скважины (при подъеме бурильной колонны (БК) и незагруженного элеватора) - 38.0 ч. против 58.6 ч. и 53.6 ч. соответственно; энергозатраты на подъем бурильной колонны (без учета затрат на подъем незагруженного элеватора) за цикл бурения скважины 13.3 МВт*ч против 27.8 МВт*ч и 20.4 МВт*ч соответственно. Определен ресурс зубчатой пары планетарной КПП привода лебедки БУ 2500-ЭПБМ1, составляющий при расчете на контактные напряжения - 171 скважину; при расчете на изгибные напряжения - 242 скважины. Разработанные методы расчета энергозатрат и затрат машинного времени, а также методы определения ресурса несущих элементов предлагается применить при оценке качества буровых установок и их комплектующих. Разработанные методы рекомендуются для оптимизации конструктивно-кинематических схем и режимов эксплуатации СПК буровых установок.

Реализация результатов. Результаты расчетов энергозатрат и затрат машинного времени при СПО буровыми установками БУ 2500 с разными приводами, а также по расчету ресурса зубчатой передачи планетарной КПП в приводе лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 переданы Волгоградскому заводу буровой техники (ВЗБТ). Программное обеспечение расчетов передано в конструкторский отдел ВЗБТ.

Разработанное программное обеспечение по расчету энергозатрат и затрат машинного времени, а также расчета ресурса зубчатой передачи планетарной КПП в приводе лебедки буровой установки используется в учебном процессе кафедры машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и кафедры машины и оборудование нефтегазовых промыслов Кызылординского государственного университета им. Коркьгг-Ата при курсовом и дипломном проектировании и при научно-исследовательской работе студентов.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и получили одобрение на 3-ей Всероссийской конференций молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" и на 4-й научно-технической конференции, посвященной 300-летию Инженерного образования в России (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина).

Публикации. С участием автора по теме диссертации опубликованы 8 работ, из них 3 программы, зарегистрированные в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 208 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 120 наименований и 15 приложений.

Содержание работы

Во введении показана актуальность выполненной работы, ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проанализированы существующие методы оценки качества промышленной продукции и буровых установок, проведен анализ номенклатуры показателей качества буровых установок.

В главе показано, что существующие методики оценки качества буровых установок базируются на экспертные методы и не включают в себя определение производительности спуско-подъемного комплекса буровых ус-

5

запонок, обуславливающей затраты машинного времени и энергозатраты при С110. Существующие методы расчета несущих элементов на выносливость при проектировании буровых установок базируются на коэффициенты эквивалентности режима нагружения, которые не однозначны и зависят от расположения рассматриваемого элемента в кинематической схеме СПК. В практику проектирования буровых установок не внедрены методы оценки ресурса несущих элементов. Отсутствуют также методы оценки многих эргономических факторов и трудозатрат членов буровой бригады в процессе эксплуатации буровой установки и влияния на них различных средств механизации. Следует отметить так же, что на стадии проектирования не осуществляется сравнительная оценка затрат на изготовление и эксплуатацию бурового оборудования. Задачей данного исследования является восполнение имеющегося пробела в этом вопросе. Таким образом, для достижения цели исследования необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ методов оценки показателей качества СПК буровой установки и выявить имеющиеся в них недостатки;

- усовершенствовать методику сравнительной оценки эксплуатационных показателей спуско-подъемного комплекса буровой установки;

- проанализировать методы расчета ресурса несущих элементов СПК буровых установок и восполнить имеющиеся пробелы;

- разработать методику расчета ресурса зубчатых передач в приводе СПК с учетом изменений в современной НТД по расчетам.

Во второй главе показано, что производительность спуско-подъемного комплекса буровой установки может быть выражена через суммарные энергозатраты и затраты машинного времени подъема бурильной колонны и незагруженного талевого блока за цикл бурения скважины.

В 80-х годах в РГУ нефти и газа им И.М. Губкина была предложена методика оценки затрат машинного времени при СПО за цикл бурения скважины. Однако, программное обеспечение и уровень развития вычислительной техники в то время затруднял ее широкое внедрение. Кроме того, ей были присущи недостатки, такие как: сложность расчета к.п.д. системы, коли-

6

чества подъемов бурильной колонны различной длины и УБТ за цикл бурения скважины, не учет характеристики оперативной муфты включения подъемного вала лебедки, отсутствие расчета энергозатрат при СПО и некоторых других факторов.

Автором внесены дополнения в расчетный метод оценки производительности спуско-подъемного комплекса буровых установок. Метод позволяет выявить влияние характеристики силового привода, его кинематической схемы, инерционности элементов системы, характеристики оперативной муфты включения подъемного вала, типа оснастки талевой системы и КПД на затраты машинного времени при СПО.

Разработанный метод позволяет сделать сравнительную количественную оценку многовариантных компоновочно-кинематических схем подъемных комплексов и оптимизировать их по критерию минимизации энергозатрат и затрат машинного времени СПО, что имеет важное значение при проектировании буровых установок. Ниже представлены основные математические зависимости, характеризующие процесс подъема БК.

Время подъема элеватора на^ высоту свечи = 1Р/П) + + (1)

где 1р(„), 1у(п} и 1,(п) - время разгона, установившегося движения и замедления системы соответственно.

Дифференциальное уравнение движения системы при разгоне

где т„р..р - суммарная масса системы при разгоне, приведенная к талевому блоку;

Рщщ ~ движущая сила двигателя, приведенная к бурильной колонне;

>2Ып) - сила сопротивления системы (нагрузка на крюке);

Время разгона системы гр(л) = | т"рр (3)

Решение уравнения (3) находится методом численного интегрирования, для чего установившаяся скорость подъема уу делится на интервалов (итераций).

V»

Приращение скорости Ок- (4}

Приращение времени разгона Д„/ = т"Р!' (5)

.1

Время разгона 1рг„) = £ (6)

/-1

г. С - + П\

Путь разгона Бр = 2_,-±-——--(7)

(»1 2

где Ур/ - скорость разгона талевого блока к концу каждого последующего интервала;

Мощность, требуемая в каждом интервале разгона

(8)

где Мм./.- крутящий момент двигателя (оперативной муфты, силового агрегата и т.д.) в начале первого интервала нарастания скорости;

соР1 - угловая скорость вращения выходного вала двигателя (сило-!шго агрегата, оперативной муфты и т.д.);

пр.1 - частота вращения выходного вала двигателя (силового агрегата, оперативной муфты и т.д.);

Затраты энергии в каждом интервале №'г, = * От /. (9)

Затраты энергии на один разгон при подъеме и^,,,, = (10)

ы

Затраты энергии за все разгоны при бурении скважины

/1-1

где 5„ - количество подъемов бурильной колонны из п свечей за цикл бурения скважины.

Требуемая мощность привода при подъеме БК из п свечей

V *0

Лг<;„= (12)

Пщ

Энергозатраты на один подъем БК из п свечей при установившемся Движении (13)

Суммарные энергозатраты при установившемся движении за цикл бурения скважины = ^*5„ (14)

л=1

Суммарные затраты времени

г.-5л,.,* (15)

Суммарные энергозатраты за цикл бурения скважины

+цгу1. (16)

На рис. 1. представлена зависимость к.п.д. турботрансформатора от частоты вращения его выходного вала. Аналитическое выражение к.п.д. представлено формулой (17).

ЛтшК= 14*10"'°*^,- 3.86*10"6*п;,,+3.!24*10"3*Ир/ + 0.076. (17)

Результаты расчета составляющих затрат машинного времени за один подъем и суммарных затрат за цикл бурения скважины буровой установкой БУ 2500-ДГУ представлены на рис. 2.

Аналитическая зависимость ----Реальная зависимость

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Частота вращения выходного вала двигателя, об/мин

Рис. 1. Зависимость к.п.д. турботрансформатора от частоты вращения его выходного вала

О 10 20 30 40 50 60 70 ао 90 100 Число свечей на крюке, N

Рис. 2.3ависимость затрат машинного времени на один подъем бурильной колонны из N свечей на высо ту свечи (БУ 2500-ДГУ) от числа свечей в БК

В период включения оперативной муфты в начальный момент вращения подъемного вала одним из основных параметров процесса сцепления является крутящий момент, развиваемый муфтой за счет сил трения в функции времени. Усилия, с которыми трущиеся поверхности фрикционной пары прижимаются друг к другу, обусловлены под влиянием нарастающего давления воздуха в пневматической камере нажимного устройства. На рис. 3. показан график изменения момента на фрикционной муфте в течение периода ее включения.

Нарастание давления в камере муфты выражается зависимостью

2- —

а крутящий момент муфты в период наполнения равен

М = Л-/,,

2- — /

(18)

(19)

Результаты расчета затрат машинного времени с учетом характеристики оперативной муфты включения подъемного вала БУ 2500-ДГУ представлены на рис. 4.

Из данных рисунка можно видеть, что при учете проскальзывания оперативной муфты включения подъемного вала в период разгона при подъеме (при времени полного наполнения камеры муфты ¿0 = 3 с) затраты машинного времени составляют 62.4 ч. Затраты же машинного времени, рассчитанные без учета характеристики оперативной муфты равны 58.6 ч, т.е. различие составляет 6 %.

Время включения

Рис. 3. График крутящего момента фрикционной муфты в период включения

Результаты расчета затрат машинного времени при учете особенностей характеристики привода ЭУ представлены на рис. 5.

Из представленных данных видно, что затраты времени в период замедления по абсолютной величине сравнительно малы /3 = 0.6 с при подъеме па У1-ой скорости и = 0.1 с при подъеме на 1-ой скорости КПП.

а 691

3

9 68-

с

| 67-

ев

I 65

1 -

X

62-1-.---.---1--

.2 3 4 5 6 7 6 Время наполнения муфты воздухом /о, с

0 -------------------,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке N

Рис. 4. Зависимость суммарного машинного времени подъема БК от времени наполнения муфты

Рис. 5. Зависимость затрат машинного времени на один подъем бурильной колонны из N свечей на высоту свечи (БУ 2500-ЭУ) от числа свечей в БК

Время периода разгона на высшей 4-ой передаче равно времени установившегося движения при минимальной нагрузке на крюке. С увеличением же нагрузки на крюке при подъеме на этой же передаче время разгона растет, а время установившегося движения уменьшается, чему способствует небольшая установленная мощность двигателя. На последующих низших скоростях превалирующее значение имеют затраты времени установившегося движения.

Результаты расчета затрат машинного времени при учете особенностей характеристики привода ЭП представлены на рис. 6.

Как видно из данных расчета, затраты времени в период разгона на 2-ой (высшей) передаче растут с увеличением числа свечей на крюке (до 28), а затем уменьшаются, а затраты времени установившегося движения наоборот - в начале уменьшаются, а потом растут. Суммарные же затраты времени одного подъема /,, растут почти линейно с увеличением нагрузки на крюке.

На рис. 7. представлены сравнительные данные расчета 1\шш за цикл бурения скважины тремя типами СПК. Как видно из рисунка, закономерность затрат машинного времени для БУ 2500-ЭП имеет плавный характер изменения, чему способствует гибкая (сериесная) характеристика двигателя постоянного тока. В случаях привода ЭУ и ДГУ имеет место неравномер-

пость затрат машинного времени в диапазоне подъема бурильной колонны на одной скорости.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке, N

Рис. 6. Зависимость затрат машинного нремеии подъема бурильной колонны из Л' свечей на высоту свечи (БУ 2500-ЭП) от числа свечей в БК

0 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100 Число свечей на крюке. N

Рис. 7. Зависимость суммарных затрат машинного времени при подъеме бурильной колонны из N свечей на высо 1у свечи за цикл бурения скважины от числа свечей в БК (буровые установки БУ 2500-ЭП, ЭУ, ДГУ)

Как видно из табл. 1, привод ЭП более совершенен, так как он обеспечивает лучшую производительность, т.е. меньшие затраты машинного времени подъема бурильной колонны за цикл проводки скважины - 38 ч. против 53.6 ч. и 62.4 ч. для ЭУ и ДГУ соответственно.

Суммарные энергетические затраты и затраты машинного времени подъема бурильной колонны за цикл бурения скважины буровыми установками

с разным приводом

Таблица 1

Суммарные энерго- Суммарные затраты Обобщенный

Буровая установка затраты (Эх) на машинного времени коэффициент,

подъем бурильной (Т\) на подъем бу- Коб

колонны за цикл рильной колонны за Эцг>) „ Тцб)

бурения скважины, цикл бурения сква- Я Т

кВт*ч жины , ч

БУ-2500ЭП 13236.9 (Эт,«) 38.0 (Тя«) 1

БУ-2500ЭУ 20377.4 53.6 0.46

БУ-2500ДГУ:

с учетом характеристики 27766.5 62.4 0.29

оперативной муфты

без учета характеристики

оперативной муфты 27767.6 58.6 0.31

Как видно из табл. 1, не учет характеристики оперативной пневматической муфты в процессе разгона при подъеме бурильной колонны приводит

12

к уменьшению затрат машинного времени за цикл бурения скважины с 62.4 ч. до 58.6 ч. (т.е. на 6 %).

В практических расчетах затрат машинного времени применяют формулы (20) и (21). С целью проверки правильности рекомендаций их применения нами проведена сравнительная оценка степени неполноты тахограммы подъема бурильной колонны с различными типами привода по разработанной методике и по методике, предложенной Аваковым В. А (табл. 2).

где е - коэффициент переподъема свечи е= 1.01; 1са - длина свечи бурильных труб; Я - степень неполноты заполнения тахограммы; vy - скорость установившегося движения талевого блока; vcp - средняя скорость подъема.

Сравнительные данные расчета затрат машинного времени по предлагаемой методике и по методике Авакова В.А.

Таблица 2

Затраты машинного времени за цикл бурения скважины, ч

Тип буровой ус- По предлагаемой По методике Авакова В.А.

тановки методике

Тм£ ТМ£ При коэффициенте с (формула (21))

БУ 2500-ЭУ - 49.1 2.4

53.6 53.6 4.5

БУ 2500-ДГУ 53.3 3.6

58.6 58.6 5.9

БУ 2500-ЭП 38.3 2.4

38.0 38.0 2.3

Степень неполноты заполнения тахограммы находят

Л = ± = 1 + с*1, (21)

где к3 - коэффициент заполнения тахограммы подъема;

с-коэффициент, зависящий от типа привода, усредненные значения которого установлены Аваковым В.А. более 25-ти лет назад и принимается: с = 2.4 - для буровых установок с приводом от электродвигателей;

с = 3.6 - для буровых установок с приводом от дизель-гидравлических агрегатов;

с = 4.8 - для буровых установок с приводом от дизельных двигателей с механическими трансмиссиями.

Как видно из представленных данных, наибольшее расхождение в расчетных данных имеет место для БУ 2500-ДГУ, где различие достигает 9 %.

Значение же коэффициента с (см. формулу (21)) должно быть скорректировано (для установок БУ 2500-ЭП, ЭУ и ДГУ) согласно таблице.

На рис. 8 представлены зависимости коэффициента с, полученного после преобразования формул (20) и (21) и подстановки значений установившейся скорости Vу и времени для каждого типа привода, рассчитанных по предлагаемой методике.

Число саечей на крюке. N

Как видно из рисунка, значение коэффициента с не является постоянным при подъеме бурильных колонн разных длин (разных нагрузок). Поэтому оно должно применяться только при расчетах суммарных затрат машинного времени в качестве усредненных за цикл бурения скважины.

Влияние максимальной скорости подъема незагруженного элеватора С ПК БУ с ЭП на Тмаш представлено на рис. 9.

Как видно из рисунка, увеличение максимальной скорости подъема до 1.8 м/с приводит к интенсивному снижению затрат машинного времени. При превышении скорости значения 1.8 м/с кривая затрат времени резко вы-

полаживается и при значении скорости в диапазоне 1.8 - 2.3 м/с затраты находятся практически на одном и том же уровне и в дальнейшем возрастают.

Рис. 9. Влияние максимальной скорости движения талевого блока

на суммарное машинное время подъема БК за цикл бурения сква-

жины буровой установкой БУ2500-ЭП

1,2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2,1 2,2 2.Э 2,4 2.5

Максимальная скорость падъеыа незагруженного элеватора, м/с

Из данных, представленных на рис. 9., можно видеть, что уменьшение максимальной скорости от 1.8 м/с до 1.5 м/с приводит к увеличению затрат машинного времени подъема незагруженного элеватора на 9 %.

Известно, что при СПО в период замедления при подъеме, двигатели силового привода отключены, и движение талевого блока вверх осуществляется по инерции за счет превращения кинетической энергии поступательно движущихся и вращающихся элементов системы в потенциальную.

Если принудительно гасить кинетическую энергию вращающегося подъемного вала (например, притормаживанием ленточным тормозом) и заставить барабан вращаться со скоростью достаточной для выбора талевого каната из системы, дабы избежать слабины и провисания тягового конца каната, то можно достичь сокращения пути замедления (подъема) и времени замедления. Результаты расчета суммарного машинного времени в зависимости от режимов работы подъемного вала лебедки в период замедления при подъеме приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что исключение подъемного вала со связанными с ним элементами из процесса замедления позволяет сократить суммарные затраты времени при подъеме незагруженного элеватора на 30 %, 20 % и 14.4 % (15.7 %), а общее машинное время на 17.2 %, 8.7 % и 6.0 (6.7) буровыми установками БУ 2500-ЭП, ЭУ и ДГУ соответственно.

Влияние режима работы подъемного вала лебедки в период замедления при подъеме на затраты машинного времени

Таблица 3

Суммарное машинное время подъема колонны буриль-_ных труб и незагруженного элеватора, ч_

Буровая уста- С учетом момента Без учета момента Уменьшение

новка инерции барабана инерции барабана (ба- времени

рабан приторможен) подъема, %

т' сум К у.// ст.« у/! . ij.li гр! _ "т»// *■ су м * сум

БУ 2500-ЭП 45.9 24.1 21.8 38.0 17.0 21.0 17.2

БУ 2500-ЭУ 58.7 24.4 34.3 53.6 19.6 34.0 8.7

БУ 2500-ДГУ:

с учетом муфты 66.4 25.8 40.5 62.4 22.1 40.3 6.0

без учета муфты 62.8 24.9 37.9 58.6 21.0 37.6 6.7

Разработанная методика позволяет проанализировать (определить) требуемую мощность на всех этапах периода подъема и энергетические затраты при подъеме. На рис. 10. представлены зависимости используемой мощности при разгоне колонны из N свечей на один подъем от числа свечей на крюке. Как видно из представленных зависимостей характеристика привода ЭУ и ЭП позволяет использовать установленную мощность электродвигателей полностью во всем диапазоне изменения длины колонны. В приводе ДГУ имеет место неполное использование установленной мощности двигателей.

Рис. 10. Зависимость используемой мощности при разгоне колонны из N

свечей на один подъем от числа свечей на крюке (буровые установки БУ 2500-ЭП, ЭУ, ДГУ)

Энергетические затраты в период разгона изменяются в период разгона в широких пределах (рис П.). В случае ЭП энергозатраты вначале рас-

ДГУ рациональное ДГУ максимальное

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на коюкв N

тут с увеличением числа свечей в БК до 28, что объясняется одной и той же скоростью подъема, и далее уменьшаются с увеличением нагрузки и уменьшением скорости крюка. Скачок затрат имеет место при переходе на низшую (2-ую) скорость подъема. В случаях ЭУ и ДГУ изменение энергозатрат обусловлено изменением скоростей подъема и изменяется скачкообразно с переходами с одной скорости подъема КПП на другую.

На рис. 12 представлены энергозатраты на установившееся движение БК. Как видно из рисунка, они имеют примерно одинаковые закономерности изменения, обусловлены нагрузкой, установившейся скоростью, временем подъема и общим к.п.д.

Суммарные энергозатраты на один подъем при разгоне, кВт'ч ЭП-67

ДГУ -152.Э рац /161.8 макс ЭУ - 92.ЭД дгу максимальное

18 л

16 14

12 ё ЮЧ

Суммарные энергозатраты на один подъем при установившемся движении, нВт'ч: ДГУ - 925.7 рац /916.1 макс ЭУ-700 2 ЭП -441.1

дгу рац.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке, N

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке. N

Рис. 11. Зависимость энергозатрат при разгоне Рис. 12. Зависимость энергозатрат на бурильной колонны из Л'свечей на один подъем установившееся движение колонны из Л' от числа свечей на крюке (буровые установки свечей (на один подъем) от числа свечей БУ 2500-ЭП, ЭУ, ДГУ) на крюке (буровые установки

БУ 2500-ЭП, ЭУ, ДГУ)

На рис. 13. представлены зависимости суммарных энергозатрат на один подъем БК из N свечей, а также суммарных энергозатрат на разгон и подъем на высоту свечи колонны из N свечей за цикл бурения скважины от числа свечей на крюке. Представленные на рис. 14 суммарные энергозатраты на один подъем бурильной колонны за цикл бурения скважины, т.е. за циклов подъемов, показывают о существенном преимуществе привода ЭП, у которого энергозатраты более равномерно распределены по всему диапазону нагрузок на крюке.

о

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке, N

1 12 23 34 45 56 67 78 89 100 Число свечей на крюго, N

Рис. 13. Зависимость суммарных энергозатрат на один подъем БК из Л' свечей от числа свечей на крюке (буровые установки БУ 2500-ЭП,

ЭУ, ДГУ)

Рис. 14. Зависимость суммарных энергозатрат на разгон и подъем (установившееся движение) на высоту свечи колонны из N свечей за цикл бурения скважины от числа свечей на крюке (буровые установки БУ 2500-ЭП, ЭУ, ДГУ)

В третьей главе диссертации представлена методика расчета долговечности (ресурса) зубчатой пары планетарной КПП.

В современных буровых установках начали применять трансмиссии с планетарной передачей. Основными преимуществами планетарной передачи являются большие передаваемые крутящие моменты и ее широкие кинематические возможности, которые позволяют использовать передачу как редуктор с постоянным передаточным отношением, как коробку скоростей с изменяющимся передаточным отношением за счет поочередного торможения различных звеньев и как дифференциальный механизм. Она более компактна и имеет меньшую массу по сравнению с простой зубчатой передачей.

В работе разработана методика расчета ресурса зубчатой пары по контактным напряжениям и напряжениям изгиба планетарной передачи буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1.

Формулы расчета ресурса по контактным напряжениям представлены выражениями (22), (23), (24) и (25).

Эквивалентное контактное напряжение определяют по формуле сгнауш = Кне(п*&ш (22)

Коэффициент эквивалентной нагрузки, при расчете контактных напряжений определяют

Ки

ч

х

N„

т'

(23)

где в квадратных скобках под корнем учитываются все циклы контактных напряжений, действующих за время бурения одной скважины, а '¿не - количество пробуренных скважин до выхода передачи из строя (ресурс) при принятом коэффициенте запаса на выносливость. Подставив Кце/щ в формулу (23), имеем

<7НР ^ СГНЕ(п) ~ \\Z,

Nc,{,

>нцщ

(24)

Откуда, долговечность (ресурс) центрального колеса планетарной коробки передач находится из выражения

Zhc- = NHI*O%.

У Л' * '""

Z., "1»> 14

(25)

где инк,,), (Тнпт-, <Уш и сгцр - расчетные напряжения при расчете на контактную выносливость на и-ом уровне нагружения, предел контактной выносливости, расчетное контактное напряжение, действующее на центральное колесо, и допускаемое контактное напряжение, не вызывающее опасной контактной усталости материала соответственно, МПа.

где Nhi, NCi(n) - суммарные числа циклов всех ступеней циклограммы (при бурении всех скважин за срок службы зубчатой пары), принятых в расчете на контактную выносливость, (Nhi= ^/*/,,,„,) и расчетное число циклов напряжений (число вхождений зубьев) на каждой ступени нагружения соответственно;

В связи с тем, что контактные напряжения во всем диапазоне подъема бурильной колонны (число свечей от 1 до «„¿Д меньше предела контактной выносливости, учет составляющей ресурса осуществлен по правому слагае-

мому знаменателя выражения (25) с расчетными напряжениями в степени 20, и пределе выносливости в степени 14.

Формулы расчета ресурса по изгибным напряжениям представлены выражениями (26), (27), (28) и (29).

Эквивалентное изгибное напряжение аге = А>£*о/г/ (26)

Коэффициент эквивалентной нагрузки при расчете на изгиб опреде-

где сумма под корнем учитывает все циклы изгибных напряжений, действующих за срок службы зубчатой пары. Если учесть количество пробуренных скважин за срок службы 2?с и, присвоив изгибным напряжениям и числу их воздействий за цикл бурения скважин индекс "и", соответствующий числу свечей в бурильной колонне, то выражение (27) примет вид

(28)

Откуда долговечность (ресурс) центрального колеса планетарной коробки передач будет найдена из выражения

1

7 гг N <

(29)

где г - суммарные числа циклов всех ступеней циклограммы (при бурении всех скважин за срок службы зубчатой пары), принятых в расчете на и згибную выносливость соответственно, /*//.£-

отцу, <УР1 и ар? - расчетные изгибные напряжения, при расчете на из-гибную выносливость, изгибное напряжение действующее на центральное колесо и допускаемое изгибное напряжение соответственно;

6 - показатель кривой усталости, в нашем случае устанавливается для центрального колеса из стали 38Х2Н2МА, закаленного при нагреве ТВЧ со сквозной закалкой, со шлифованной переходной поверхностью, независимо от твердости и термообработки.

В диссертации определены режимы нагружений, прочностная характеристика материала, использованы зависимости расчета ресурса по контактным и изгибным напряжениям. Расчетные контактные напряжения, действующие на зубья представлены на рис. 15, а расчетные изгибные напряжения - на рис. 16.

Исходя из действующих напряжений и прочностной характеристики зубчатой пары, принятой на заводе, ее ресурс составляет:

- по контактным напряжениям - 171 скважину;

- по изгибным напряжениям - 242 скважины.

Допускаемое напряжение

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке, N

Рис. 15. Зависимость расчетных контактных напряжений от числа свечей на крюке

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Число свечей на крюке, N

Рис. 16. Зависимость расчетных изгибных напряжений от числа свечей на крюке

Если принять число аварийных подъемов (подъем загруженного элеватора на высоту свечи при = 1600 кН) при числе подъемов от 1 до 10 за цикл бурения одной скважины, то ресурс зубчатой пары будет уменьшаться. Закономерности изменения ресурса по контактным и изгибным напряжениям при учете аварийных подъемов показаны на рис. 17. и 18^

В связи с тем, что контактные напряжения при аварийном подъеме (о//, = 1374 МПа) больше чем предел контактной выносливости (сгннт = Ю50 МГТа), учет составляющей ресурса от аварийных подъемов определен по формуле (25) при показателе степени равном - 6;

В четвертой главе представлены результаты проведенных исследований и основные выводы.

1В0

2 160-

| 140-ш

г 120 -

| 100 •

г

о 250

80

0 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0123456789 10 Число аварийных подъемов

0-М-1---,-.-,-.-■-.-1-■

01 23456789 10 Число аварийных подъемов

Рис. 17. График изменения ре-с}рса при расчете по контактным напряжениям при = 1600 кН

Рис. 18. График изменения ресурсе при расчете по изгибным напряжениям при ()«р = 1600 кН

Общие выводы

1. Разработана методика и программное обеспечение расчета энергетических затрат и затрат машинного времени при СПО подъемными комплексами и проведено их сравнение на примере буровых установок

БУ 2500-ЭП, БУ 2500-ЭУ и БУ 2500-ДГУ.

2. Разработанная методика позволяет оценить по критерию минимизации затрат машинного времени при СПО совершенство подъемного комплекса буровой установки. В частности:

- установлено, что отсутствие учета характеристики оперативной муфты включения подъёмного вала (на примере БУ 2500-ДГУ) занижает затраты машинного времени на 6 % (при 1а = 3 с);

- установлено, что увеличение максимальной скорости подъема незагруженного элеватора на буровой установке БУ 2500-ЭП с 1.2 м/с до 1.8 м/с приводит к интенсивному снижению затрат машинного времени. При превышении скорости 1.8 м/с кривая затрат машинного времени резко выпола-жипается и при значении скорости в диапазоне 1.8...2.3 м/с затраты времени находятся практически на одном и том же уровне, и в дальнейшем - возрас-

тают. Уменьшение максимальной скорости подъема незагруженного элеватора от 1.8 до 1.5 м/с приводит к увеличению затрат машинного времени на его подъем на 9 %;

- установлено, что использование турботрансформатора в полном диапазоне регулирования частоты вращения выходного вала при СПО нерационально из-за низкого его к.п.д. Рациональный режим работы (моменты времени переключения скоростей КПП) привода позволяет получить затраты машинного времени при СПО 58.6 ч. против 60.6 ч. (3 %).

- установлено, что притормаживание подъемного вала при подъеме незагруженного элеватора в период замедления позволяет сократить общие затраты машинного времени на подъем бурильной колонны за цикл бурения скважины на 6 % для БУ 2500-ДГУ, 8.7 % для БУ 2500-ЭУ и 17.2 % для БУ 2500-ЭП.

3. Проведена сравнительная оценка степени неполноты тахограммы подъема бурильной колонны с различными типами привода по разработанной методике и по методике, предложенной Аваковым В.А.

4. Осуществлена оценка совершенства подъемных комплексов буровых установок БУ 2500 с разным приводом по затратам машинного времени подъема бурильной колонны за цикл бурения скважины. Затраты времени составляют для БУ 2500-ЭП - 38.0 ч., для БУ 2500-ЭУ - 53.6 ч.(увеличение по сравнению с ЭП на 29 %) и для БУ 2500-ДГУ - 58.6 ч. (увеличение по сравнению с ЭП 35 %).

5. Осуществлена оценка совершенства подъемных комплексов буровых установок с разным приводом по энергозатратам на подъем бурильной колонны за цикл проводки скважины. Энергозатраты составляют:

для БУ 2500-ЭП... 13.3 МВт*ч; (принимаем за 100 %)

для БУ 2500-ЭУ...20.4 МВт*ч (увеличение по сравнению с ЭГ1 на 53 %);

для БУ 2500-ДГУ...27.8 МВт*ч (увеличение по сравнению с ЭП на 109 %).

6. Разработана методика и программное обеспечение расчета ресурса зубчатой пары планетарной КПП.

7. Осуществлена оценка ресурса зубчатой пары планетарной КПП, который составляет:

- при расчете на контактные напряжения - 171 скв.;

- при расчете на изгибные напряжения - 242 скв.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M. Вопросы оценки качества буровых установок. // Тезисы докладов 3-ей Всероссийской конференций молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности": М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 1999 г.

2. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M., Мохамед Найм М.А. К сравнительной оценке ресурса несущих элементов буровой установки. // Тезисы докладов 4-й научно-технической конференции, посвященной 300-летию Инженерного образования в России. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001 г.

3. Жабагиев A.M. Факторы, обусловливающие долговечность бурового оборудования. // Вестник Кызылординского государственного университета им. Корткыт-Ата, № 10, 2001 г.

4. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M. Влияние характеристики оперативной пневматической муфты на подъемном валу лебедки буровой установки на затраты машинного времени СПО. // Вестник Кызылординского государственного университета им. Корткыт-Ата, № 11, 2001 г.

5. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M., Мухамед-Найм A.M. Методика сравнительной оценки ресурса несущих элементов буровой установки. М.: Научно-технический журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", № 3, 2001.

6. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M. Программа расчета энергозатрат и затрат машинного времени при спуско-подъемных операциях за цикл про-

24

водки скважины, на примере спуско-подъемного комплекса (СПК) буровой установки БУ 2500-ДГУ. - М.: ВНТИЦ, per. № 50200200140, 2002 г.

7. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M. Программа расчета энергозатрат и затрат машинного времени при спуско-подъемных операциях за цикл проводки скважины, на примере спуско-подъемного комплекса (СПК) буровой установки БУ 2500-ЭУ. - М.: ВНТИЦ, per. № 50200200141, 2002 г.

8. Ефимченко С.И., Жабагиев A.M. Программа расчета энергозатрат и затрат машинного времени при спуско-подъемных операциях за цикл проводки скважины, на примере спуско-подъемного комплекса (СПК) буровой установки БУ 2500-ЭП. - М.: ВНТИЦ, per. № 50200200142,2002 г.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать21.08.02 Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1,56 Печать авторефератов 174-32-31

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Технический уровень современных буровых установок, выпускаемых в Российской Федерации.

1.2. Состояние проблемы оценки качества буровых установок.

1.3. Анализ методов определения долговечности (ресурса) несущих элементов механических систем.

1.4. Показатели транспортабельности и монтажеспособности буровых установок.

1.5. Формулирование целей и постановка задач исследования.

2. Методика расчета энергетических затрат и затрат машинного времени при спуско-подъемных операциях за цикл бурения скважины.

2.1. Тахограмма скорости подъема талевого блока на высоту одной свечи.

2.2. Разгон колонны бурильных труб.

2.3. Замедление талевого блока.

2.4. Установившееся движение талевого блока.

2.5. Учет характеристик силового привода при расчете энергозатрат и затрат машинного времени при СПО.

2.5.1. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ДГУ.

2.5.2. Оценка затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бурильной колонны за цикл проводки скважины буровой установкой

БУ 2500-ДГУ.

2.5.3. Учет влияния характеристики оперативной пневматической муфты на затраты машинного времени при СПО.

2.5.4. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭУ.

2.5.5. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭП.

2.6. Анализ затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бурильной колонны в процессе проводки скважины буровыми установками с различными типами привода подъемного комплекса.

2.6.1. Анализ затрат машинного времени.

2.6.2. Влияние максимальной скорости подъема незагруженного талевого блока при СПО на затраты машинного времени.

2.6.3. Оптимизация режимов работы КПП при СПО в приводе

БУ 2500-ДГУ.

2.6.4. Влияние режима работы подъемного вала лебедки в период замедления при подъеме на затраты машинного времени.

2.6.5. Влияние типа привода буровой установки на энергетические затраты при СПО.

2.7. Результаты исследований и выводы по главе.

3. Определение долговечности (ресурса) планетарной коробки перемены передач.

3.1. Оценка долговечности (ресурса) зубчатой передачи.

3.2. Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на контактную выносливость.

3.3 Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на изгиб.

3.4. Влияние аварийных подъемов на ресурс зубчатой передачи.

3.5. Результаты исследований и выводы по главе.

4. Результаты проведенных исследований и основные выводы.

Ускорение научно-технического прогресса в отрасли нефтяного машиностроения во многом определяется темпом роста технического уровня и качества оборудования, находящегося в центре внимания как специалистов, проектирующих и изготавливающих буровую технику, так и специалистов - эксплуатационников.

В этой связи одной из наиболее важных проблем, направленных на достижение оптимального уровня качества бурового оборудования, является квалифицированная оценка уровня качества существующей и вновь проектируемой техники. Оценка уровня качества продукции определяется как совокупность операций, включающая выбор номенклатуры показателей качества, определение их численных значений, а также значений базовых и относительных показателей с целью обоснования наилучших решений, реализуемых при управлении качеством.

Существующие методики оценки качества буровых установок базируются на экспертные методы и не включают в себя определение эффективности спуско-подъемного комплекса (СПК) буровых установок (энергозатрат и затрат машинного времени при СПО) и ресурса несущих элементов бурового оборудования. Отсутствуют также методы оценки многих эргономических факторов в процессе эксплуатации буровой установки и влияния на них различных средств механизации. Таким образом, целью данного исследования является восполнение имеющегося пробела в этом вопросе.

Одним из путей интенсификации бурения скважин является создание СПК буровых установок с более оптимальными параметрами. Следует отметить, что целесообразность разработки методики расчета производительности СПК, учитывающей реальную характеристику привода, диктуется необходимостью оптимизации параметров кинематической схемы на стадии проектирования буровой установки, а также оптимизацией режимов работы двигателей (силовых агрегатов) при выполнении спуско-подъемных операции. Поэтому разработка методики расчета производительности СПК имеет важное практическое значение.

Известно, что буровое оборудование в процессе бурения скважины подвержено воздействию нестационарного режима нагружения. Существующие методы расчета несущих элементов на выносливость при проектировании буровых установок базируются на коэффициенты эквивалентности режима нагружения, которые не однозначны для элементов системы и зависят от расположения рассматриваемого элемента в кинематической схеме СПК. Нестационарность режима нагружения усложняет процедуру оценки технического ресурса на стадии проектирования, делает невозможным осуществить экспертами сравнительную оценку технического ресурса вновь проектируемых моделей БУ, количества капитальных ремонтов сборочных единиц их комплектующих и потребность в запасных частях за срок службы буровой установки. Поэтому разработка расчетных методов оценки технического ресурса бурового оборудования является необходимой процедурой при оценке его качества.

Настоящая диссертация посвящена разработке математических моделей функционирования и разработке компьютерных программ расчета ресурса несущих элементов и производительности СПК буровой установки, позволяющих решить вышепоставленные задачи, т.е. оценить производительность подъемного комплекса буровой установки и оптимизировать конструкцию СПК, оценить планетарную КПП привода лебедки буровой установки по критерию долговечности.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОКЧОР