автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Резервы повышения эффективности подъемного комплекса буровых установок

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Основные направления развития буровых установок.

1.2. Техническое состояние буровых установок.

1.3. Пути повышения эффективности буровых установок.

1.4. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДЪЕМНОЙ

ЧАСТИ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ.

2.1. Конструктивные особенности оснастки талевой системы буровой установки.

2.1.1. Влияние кратности оснастки на трансмиссию буровой установки.

2.2. Оценка долговечности подшипников шкивов талевой системы.

2.2.1. Расчет подшипников шкивов талевой системы.

2.2.2. Расчет составляющей суммарной "наработки" подшипника при подъеме бурильной колонны.

2.2.3. Расчет составляющей суммарной "наработки" подшипника при спуске бурильной колонны.

2.2.4. Расчет составляющей суммарной "наработки" подшипника при спуске обсадных колонн.

2.2.5. Расчет составляющей суммарной "наработки" от аварийных подъемов.

2.3. Оценка долговечности цепной передачи привода буровой лебедки. .39 2.3.1. Анализ факторов, влияющих на срок службы цепи.

2.4. Оценка долговечности зубьев планетарной КПП в приводе лебедки буровой установки.

2.4.1. Расчет на контактную прочность зубьев центрального колеса планетарной КПП.

2,4,2, Расчет долговечности зубьев планетарной КПП.,.

2,4,3, Расчет на изгиб зубьев планетарной КПП,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

2,5, Результаты исследований и выводы по главе,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ТАЛЕВОГО КАНАТА И

ФАКТОРОВ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИХ ВЫХОД ЕГО ИЗ СТРОЯ ,,,,,,,,

3.1, Закономерность распределения числа изгибов талевого каната по длине в оснастке.

3.2, Анализ путей уменьшения и равномерного распределения числа циклов изгибов каната по длине в оснастке.

3.3, Особенности многослойной навивки каната на барабан лебедки,,,,,,,,

3.4, Анализ влияния геометрических параметров барабанов буровых лебедок на технический ресурс талевого каната

3.5, Результаты исследований и выводы по главе,.,.,,,.,,,,,,,,,,.,

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СПУСКО-ПОДЪЕМНОГО

КОМПЛЕКСА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ.

4.1, Суммарное машинное время подъема колонны бурильных труб и незагруженного элеватора за цикл проводки скважины,,,,,,,,,,,,,,,,,

4.2, Период разгона колонны бурильных труб,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4.3, Период замедления колонны бурильных труб,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4.4, Период установившегося движения колонны бурильных труб,,,,,,,,,

4.5, Алгоритм расчета производительности СПК БУ-2500/1603ПБМ1. Л

4.6, Результаты исследований и выводы по главе.,,,

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ

ВЫВОДЫ.

Резкое снижение объёмов бурения разведочных и. эксплуатационных скважин на нефть и газ в Российской Федерации уменьшило потребность в буровых установках. Поставка же буровых установок за рубеж требует' создания более конкурентно-способного и производительного оборудования. Повышение эффективности современных буровых установок характеризуется ростом уровня механизации и автоматизация всех работ по ' проводке скважины, увеличением мощности привода исполнительных механизмов, что сокращает время строительства скважины, но приводит к повышению напряженности работы механизмов. Поэтому повышение работоспособности механизмов современных буровых установок требует при проектировании знания факторов, приводящих к выходу из строя оборудования, параметров и режимов работы механизмов, методов расчета долговечности несущих элементов.

Повышение эффективности и производительности нефтяного оборудования и инструмента часто ограничивается недостаточной долговечностью их отдельных деталей и узлов. Недостаточная долговечность машин и механизмов вызывает необходимость снижения нагрузки на отдельные узлы и детали, увеличения их габаритов и массы, увеличение затрат на изготовление запасных частей и ремонт оборудования. Повышение долговечности машин имеет особенно актуальное значение для нефтяной и газовой промышленности, так как большинство деталей нефтяного оборудования работает в тяжелых условиях, подвергаясь значительным знакопеременным' и динамическим нагрузкам.

Производительность и технический уровень бурового оборудования в значительной степени зависят от принятой методологии их проектирования в конструкторских организациях. При проектировании бурового оборудования важнейшими задачами являются выявление прочностных характеристик и режимов нагружения элементов спуско-подъемного комплекса буровой установки в процессе спуско-подъемных операций и расчет его элементов на прочность и выносливость. Расчет деталей на прочность и выносливость позволяет оценить на стадии проектирования уровень долговечности выпускаемого бурового оборудования, оптимизировать конструкцию по критерию долговечности и спрогнозировать возможность расходования его ресурса при эксплуатации.

В РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина разработаны математические модели, функционирования: подъемного комплекса буровой установки, позволяющие решить выше поставленные задачи - оценить качество элементов подъемного комплекса буровой установки и оптимизировать их конструкцию по критерию долговечности, а также спрогнозировать использование технического ресурса узлов и деталей при эксплуатации с установлением количества запасных частей и спланировать выполнение ремонтных работ.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю доценту к.т.н. Ефимченко С. И. за большую помощь, ценные советы и консультации, оказанные в период работы над диссертацией, а также автор выражает свою искреннюю благодарность коллективу кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Российского Государственного Университета нефти и газа им. И. М. Губкина за всестороннюю поддержку во время подготовки диссертационной работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Освоена методика расчета долговечности несущих элементов спуско-подъемного комплекса буровых установок (С1Ж БУ) и разработаны алгоритмы её применения для. оценки, влияния прочностных и нагрузочных характеристик на долговечность.

2. Примененный метод расчета несущих элементов СПК БУ позволяет оценить их долговечность, выраженную количеством пробуренных скважин (и их общую проходку) для конкретно заданных условий бурения, что позволяет рекомендовать применение этого метода конструкторским, бюро на стадии: конструирования, при составлении генеральной тактики (программы) капитальных ремонтов сборочных единиц буровой установки за срок её службы, а также буровым организациям .для выбора рационального режима эксплуатации, составления планов капитального ремонта оборудования и поставки запасных частей.

3. Выполненный анализ статистических данных отработки канатов на буровых установках, а также расчеты канатов на долговечность показывают, что увеличение кратности оснастки против принятых, в существующих талевых системах не приводит к существенно заметному повышению долговечности каната. В то же время при этом увеличиваются динамические, нагрузки в СПК при СПО и бурении, уменьшается к.п.д, увеличивается инерционность системы (привод-лебедка- талевая система) и увеличиваются: затраты: машинного времени.

4. Выявлена закономерность, распределения числа циклов изгибов, талевого каната по его .длине в оснастке при подъеме (спуске) талевого блока на высоту одной свечи, что позволяет оптимизировать параметры талевой системы при проектировании буровой установки (критерий оптимизации - минимум числа циклов изгиба каната при прохождении через шкивы), а также позволяет оценить совершенство кинематики, и геометрических, соотношений в подъемной части буровых установок с точки зрения нагружения каната числом изгибов.

5. Применение в силовом приводе буровой установки планетарных редукторов., в силу их компактности возможности: передачи ими больших мощностей и обеспечения высокого уровня надежности, является первым основным резервом повышения, качества и. конкурентоспособности буровых установок.

6. Установлено, что талевая система с двумя тяговыми концами обеспечивает более благоприятный режим нагружения канта с меньшим: в 2 раза числом циклов изгибов, на шкивах при подъеме на высоту свечи по сравнению с обычной талевой системой, переход на талевую систему с двумя тяговыми концами, является вторым основным резервом - повышения эффективности подъемного комплекса буровых установок.

7. Освоена методика расчета производительности спуско-прдъемного комплекса буровой установки, которая позволяет рассчитать, периоды тахограммы подъема загруженного и незагруженного элеватора с учетом, разгонной характеристики двигателей привода, их мощности, кинематической схемы привода и к.н.д. ее элементов, моментов, инерции вращающихся элементов системы, поступательно движущихся масс талевой системы, ее кратности и массы поднимаемого груза, а также на. основе этого рассчитать суммарное время подъема бурильных труб за цикл проводки скважины. Сравнение затрат машинного времени при ОТО для двух, вариантов СПК БУ-2500ЭП показывают, что СПК с планетарном коробкой перемены передач имеет на 10% затрат машинного времени, меньше, чем: СПК с цепными передачами.

1. Аваков В. А. Расчеты бурового оборудования. М., «Недра», 1973, 400 с.

2. Аваков В. А., Архангельский В. Л. Рациональный вес подвижных частей: талевой системы современных буровых установок « Машины и нефтяное оборудование », 1967, № 4.

3. Аваков. В, А. Расчет эквивалентных напряжений в деталях подъемного механизма буровых установок. Диссер. Баку, 1963.

4. Аваков В. А., и др. Анализ конструкций буровых лебедок, типов пневматических муфт и вертлюгов. Серия «Машины и: нефтяное оборудование». ВНИИОЭНГ, 1971.

5. Аваков В. А., и др. Состояние развития буровых лебедок за рубежом. М.: ВНИИОЭНГ, 1976.

6. Алексеевский Г. В. Буровые установки «Уралмашзавода», М., 1981.

7. Антонов А. А. Пневматические фрикционные муфты в нефтяной промышленности. М., Недра, 1973.

8. Архангельский В. Д., Антонов А. А., Аксенова Н. Г. Выбор оперативных пневматических муфт буровых лебедок. «Машины и нефтяное оборудование», 1971, №8. с 13-18

9. Архангельский В. JI. Влияние передаточного числа коробки скоростей на разгон бурового подъемника с гидротрансформатором. -«Машины и нефтяное оборудование», 1964, № 3.

10. Архангельский В. Л. Влияние характеристики шинно-пневматической муфты на включение подъемного вала лебедки. "Машины и нефтяное оборудование", Ш 8,1963. С 13-16.

11. Архангельский В. Л. Кинематика ведущих частей муфты при включениибуровой лебедки, на начальном этапе. -«Машины и нефтяное оборудование», 1964, № 8. С 3-7.

12. Архангельский В. Л. Применение гидротрансформаторов в буровых установках «Машины и нефтяное оборудование», 1963, № 2.

13. Архангельский В. Л. Применение шинно-пневматических м:уфт для соединения подъемного вала лебедки с гидравлическим тормозом. «Машины и нефтяное оборудование», 1967, № 5. С 14-16.

14. Архангельский В. Л. Влияние характеристики пневматической оперативной муфты на динамические нагрузки в подъемной системе буровых установок. «Машины и нефтяное оборудование», 1970, № 9.

15. Архангельский В. Л. Научные основы расчета и проектирования подъемного механизма буровых установок. Докторская диссертация. М,: МИНГ. Им. И. М. Губкина, 1987.-265 с.

16. Архипов К. И. Внешняя динамика как основа расчетов подъемного механизма буровых установок на переменные напряжения. Диссер. к.т.н., М., 1965.

17. Архипов К. И. Исследование закона распределения нагрузки на подъемный механизм: буровых установок экспериментально статистическим методом.// Известия ВУЗов "Нефть и газ", 1967, № 5

18. Архипов К. И. Цикловая нагрузочная, диаграмма буровых установок. «Нефтяное хозяйство», 1969, № 3.

19. Бабаев С. Г. Надежность и долговечность бурового оборудования. М., Недра, 1974.-184 с.

20. Бабаев С. Г., и др. Повышение надежности оборудования, применяемого для бурения на нефть и газ. М'., «Машиностроение», 1972.

21. Бабаев С. Г., Перлов И. Б., Ахундов А. А. Пути повышения работоспособности талевой системы буровых установок. М., «Машины и нефтяное оборудование», №4,1966.

22. Бабаев С. Г. К вопросу повышения срока службы талевых канатов при бурениинефтяных и газовых скважин. НТС, Стальные канаты. Киев, 1964 Л® 1

23. Бабарыкин В. В. Разработка методики оценки производительности сиуско-подъемного комплекса буровой установки. Диссер. к.т,н. М.: 1989 г

24. Баграмов Р. А. О выборе талевого каната и конструкции подъемного механизма буровых установок. Нефтяное хозяйство, № 5, 1966 г

25. Баграмов Р. А. О выборе рациональной конструкции, стальных канатов дня бурения нефтяных и газовых скважин. М.:, Машины и нефтяное оборудование, № 3, 1965.

26. Баграмов Р. А. О расчете и проектировании талевой системы, буровых установок. М., «Машины и нефтяное оборудование», № 4,1964.

27. Баграмов р. А. Буровые машины и комплексы. М.: Недра, 1988 г

28. Бейзельман Р. Д., и др. Подшипники качения. Справочник, М,э «Машиностроение», 1967 г

29. Белый В. Д., Лесин К. К., Самарский А. Ф. Выбор, навеска, эксплуатация и контроль состояния: шахтных канатов. М.: Недра, 1967 г.

30. Бержец Г. Н. Основы классификации и расчета параметров буровых установок. М.; Недра, 1968 г

31. Бержец Г. Н. О запасе грузоподъемности буровых установок. НТС, «Машины и нефтяное оборудование», № 1, 1964 г

32. Бержец Г. Н., Ефимчнко С. И. Динамические процессы в подъемной части буровой установки. «Машины, и нефтяное оборудование», 1967, М» 6.

33. Букштейн М. А. Стальные канаты нефтегазодобывающей промышленности М.: Недра, 1969 г

34. Букштейн М. А. Производство и использование стальных канатов. М.} Металлургия, 1973 г.

35. Буровые установки БУ-2500 Универсальной монтажеспособности. Серия

36. Машины и нефтяное оборудование», М., 1979 г

37. Втюрин А. И. К расчету на долговечность детален подъемного механизмабуровых установок. М.//ИЗВ. ВУЗов., нефть и газ, 1962, К» 7, с 101 107.

38. Гликман Л. С., Бержец Г. Н. Основные направления в создании новых установок для бурения на нефть и газ. Нефтяное хозяйство, №>2, 1959 г

39. Даниелян А. А. Основные направления проектирования оборудования для, бурения глубоких скважин. М.: Недра, 1967.

40. Ермеков А. В, Исследование поперечных колебаний ходовой струны и разработка технических решений по обеспечению упорядоченной навивки, каната на барабан. Диссер, к. т. н. М.,1993,

41. Ефимченко С. И. Исследование динамических процессов в подъемной части буровых установок. Диссер. к.т.н. М., 1967.

42. Ефимченко С. И. Кинематика многослойной навивки каната на барабан лебедки и. ее влияние на динамические процессы: в подъемном: механизме буровых установок. Сборник материалов Научно-технического Совета по глубокому бурению. Вып. 14. М., Недра, 1970»

43. Ефимченко С. И. Расчеты: бурового оборудования с применением ЭВМ. Учебное пособие. Ч. 1.-М.: МИНГ, 1987.

44. Ефимченко С. И., Бабарыкин В. В. Расчеты, бурового оборудования с применением ЭВМ. М., 1989.

45. Злобин Б. А. Скоростная проводка скважин и резервы новой техники. М., Недра, 1977.

46. Ильский А. Л. Оборудование для бурения нефтяных скважин. М., «Машиностроение»', 1980.

47. Ильский А. Л., Миронов Ю. В., Чернобыльский А.Г. Расчет и конструирование бурового оборудования. М.„; Недра, 1985.

48. Ильский А. Л., Шмидт А. П. Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1989.

49. Исследование характеристик рассеивания ресурса подшипников качения, / Решетов Д. Н., и Иванов А. С., Жевтунов В. П., и др. Работоспособность и надежность детален машин. Тр. МВТУ. М.: 1980, № 333, с 25-35.

50. Исследование динамики и расчет параметров механизмов буровой установки. Отчет по научно-исследовательской работе: тема № .175/70, МИНХ и ГП им. Губкина, 1970.

51. Иткис М. Я. Расчет и конструирование бурового оборудования с применением ЭЦВМ', М., «Машиностроение», 1979.

52. Калинин А. Г., Левицкий А. 3., Никитин Б. А. Технолог:®! бурения разведочных, скважин, на нефть и газ. М.: Недра, 1998.

53. Калинин С. Г. Динамика подъемной системы буровых установок. Львов: Виша ж, 1975.

54. Камаяов И. X. Методология расчета долговечности несущих элементов С.1Ж буровых установок. Диссер. к.т.н. М.: 1991.

55. Калмыков Н. П., Мальков И. А. Буровое оборудование применяемое в США. М., Гостоигехиздат, 1.962.

56. Карапетян Г. Б., Зворыкин С. В. Буровые установки глубокого бурения. М.,1.960.

57. Карапетян Г. Б., Архангельский В. Л. и др. Новые буровые установки завода «Баррикады», Нефтяное хозяйствоД® 1, 1967.

58. Керимов 3. Г., Кафаров Т. м., Желиховский. М. К определению коэффициента нагрузки и долговечности для бурового подъемного механизма. // ИЗВ. ВУЗов, Нефть и газ, 1990, № 2, с 80- 84.

59. Кудрявцев В.Н. и др. Планетарные передачи. Справочник. Л.: «Машиностроение», 1977.

60. Куличихин Н. И., Родионов Н. С., Гашен Г. А. Буровое оборудование. М.: Недра, 1973.

61. Лившиц Д. Е, и др. Новое в конструкции буровых установок (обзор зарубежный литературы) ЦНИИТЭнефтегаз, 1964.

62. Маккерей А. У., Коле Ф. У. Технология бурения нефтяных скважин. М., Госгоптехиздат, 1963.

63. Маниелян А. А. Основные направления проектирования оборудования для бурения глубоких скважин. М.: Недра, 1967.

64. Методика расчета цепной передачи в приводе спуско-подъемного комплекса буровой установки на выносливость. Руководитель работы, С. И. Ефимчежко, М., 1987.

65. Отчет ОНИР по теме 18-0251-81-22 "Исследование надежности и долговечности бурового оборудования. Выдача рекомендаций". М.: ВНИИнефтемаш, 1981.-206 с.

66. Отчет ОНИР по теме 609- 86 "Исследование работы оборудования установок". Грозный.: ГНИ. Им. Акад. Миллионщикова, 1986, 49 с.

67. Перель Л Л. Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание опор. Справочник. М.: «Машиностроение», 1983.-543 с.

68. Подшипники качения. Справочник каталог/ под ред. В. 11. Нарышкина, и Р.В. Коросташевского М.: «Машиностроение», 1984,- 280 с.

69. Поляков Г. д., Булгаков Е. С., Лащшпш К. Н. Подъемные устройства геологоразведочных буровых установок. М.: Недра, 1979.

70. Поляков. Г. Д. Проектирование, расчет и эксплуатация буровых установок. 1983.

71. Поляков В. П., Смирнов В. Н., Константинов А. А, Буровые установки завода «Баррикады». М.: Недра, 1972.

72. Проектирование и испытание буровых установок «Уралмашзавода». Сборник научных трудов. Свердловск, 1990.

73. Пындак В. И. Повышение технического уровня и снижение материалоемкости буровых установок. М.: ЦИНТИХЙМНефтемаш, 1986.

74. Райхель А. Н., Архангельский В. Л., Аваков В. А. Влияние веса подвижных элементов системы среднюю скорость спуска порожнего элеватора. Нефтяное хозяйство, № 11, 1962.

75. Райхель А. П., Аваков В. А., Баграмов Р. А. Методика оценки схем главного подъема буровых установок. «Машины и нефтяное оборудование», 1963, № 8.

76. Раскин Р. М., Кронгауз В. С. Расчет цепных передач буровых установок. «Машины и нефтяное оборудование», 1964, № 8.с 11-13.

77. Решетов Р. М., Иванов А. С., Фадеев В. 3. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988.

78. Рощупкина В. В. Исследование динамики талевой системы буровой установки. Диссер. к.т.н. М., 1973.

79. РТМ 26-02-14-82 . Установки буровые, расчет цепных передач.

80. Саидов А. А. К теории многослойной навивки канатов буровой подъемной лебедки //Изв. Вузов, нефть и газ. 1975, № 5 с 13-16.

81. Самохин А. Б., Самохина А. С. Численные методы и программирование на Фортране для персонального компьютера. М., «Радио и связь», 1996.

82. Северинчик Н. А. Машины и оборудование для бурения скважины. М„: Недра, 1986.

83. Скрыпник Н. А. Индустриальный метод сооружения буровых установок. М.: Недра, 1972.

84. Скрыпник С. Г, Анализ параметров и конструктивных особенностей зарубежных буровых установок. М.: ВНИИОЭНГ. 1980.

85. Сшщын И. А., и др. Опоры осей и валов машин и приборов. Л., «Машиностроение», 1.970.

86. Стальные канаты. Том. 1-3. Киев. «Техника», 1964.

87. Стетюха Е. И. Закономерности изменения проходки, на долото и времени механического бурения в зависимости от глубины скважины, СБ. Трудов ГОТКЗНИ,№ 13, Грзоблиздат, 1955.

88. Тарасевич В. И. Основы повышения производительности буровых установок, М,: Недра 1968.

89. Тимофеев Н. С, Гусман м. Т. Бурение скважин в США. М., Гостоптехиздат, 1.960, 195 с.

90. Федоров В. С., Втюрин А. И. К кинетике спуска бурильных труб при ступенчатой навивке каната на барабан лебедки. Труды Грозненского нефтяного института, 1955, № 15.

91. Федоров В. С., Никоноров М. М. Теоретические основы подъема бурового инструмента. М., Гостоптехиздат. 1952.

92. Хачатурян С. А., Босмяцкий Г.П. Динамика бурильных установок. М.: «Машиностроение», 1.992.

93. Чегодаев А. М. Некоторые вопросы теории действия нефтепромысловых подъемных установок. Труды Грозненского нефтяного института, 1953, №>„ 12.

94. Шандыбина И. М. Исследование нагруженности элементов спуско-подъемного комплекса буровой, установки и разработка методики автоматизированного проектирования валов его трансмиссии, Дисс. к.т.н. М., 1995

95. Шахмалиев Г. М. Механика торможения и рациональный режим, спуска бурильного инструмента. Баку, 1.960.

96. Шмидт А. П. Сравнительное исследование вспомогательных электромагнитных тормозов буровых лебедок. Диссер. к,т,н. М., 1.978.

97. Юртаев В.Г. Динамика буровых установок. М.: Недра, 1987.

98. Юртаев В. Г. Динамика агрегатов буровых установок и. повышение их технического ресурса и эффективности эксплуатации. Детсгорская диссертация. Москва, 1993.

99. Composite catalog of Oil field equipment and Services. Texas, USA, World Oil A Gulf Publishing Company Publication, 1993-1996. Vol. 1-4

100. Drilling Data handbook. Editions Technip. Paris, 1978.

101. Specification lor drilling and well servicing structures. API second edition, June 1, 1.995.

102. API Specification for wire rope. API Spec.9A, 1968.- 27 c.

103. API recommended practice. Application, care, and use of wire for Oil field services. API RP 9B-72, 1980.106. '.New Rig Concept for drilling and intervention. Petroleum. Engineer International, April, 1999

104. Wire rope handbook and catalog E. Armco steel Corporation, 1972,110 p.

105. Ropes for Oil. British ropes limited 1985. Publication Ms 1.21.8,151. p.