DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 10.10.2008

Материалы

загрузка...

Повышение эффективности буровой установки с верхним приводом

Миниханов Ренат Фагилевич, 10.10.2008

 

Научная новизна работы

Разработана и апробирована методика расчета основных параметров системы силового верхнего привода и системы гашения динамических колебаний.

Разработан алгоритм подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.

Разработана методика расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки, основанная на использовании имитационной модели рабочего процесса.

Практическая ценность работы: разработаны методики проектирования и расчета параметров системы верхнего привода и спуско-подъемного комплекса.

Методика проектирования и расчета параметров системы верхнего привода позволяет получать конструкцию наименьшей массы и в то же время не приводящую к появлению значительных колебаний. Исключение колебаний снижает нагрузку на металлоконструкции, за счет чего повышается надежность. Разработанная конструкция внедрена на буровой установке «Уралмаш 3900/225» (заводской № 14700).

Методика расчета параметров СПК позволяет проводить исследования влияния значений параметров электромеханической системы на его основную функцию – обеспечение спуска буровой колонны в скважину и ее подъема, определять время отдельной операции наращивания колонны в процессе бурения, а также полное время сборки и разборки колонны.

В результате проведенных исследований разработаны предложения по улучшению конструкций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов теоретической механики; использованием для анализа сертифицированного пакета расчета напряженно-деформированного состояния трехмерных конструкций Structure-3D; достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментов; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Разработанная конструкция системы верхнего привода с рациональными параметрами внедрена в 2006 году на установке «Уралмаш 3900/225 ЭК-БМ».

Апробация работы. Основные положения и содержание работы доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» - в 2006, 2007 гг. (г. Москва, МГГУ), на международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» - в 2005, 2006, 2008 гг. (г. Екатеринбург, УГГУ).

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики расчета параметров системы гашения динамических колебаний силового верхнего привода;

- в разработке методики расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки;

- в разработке алгоритма подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей, в том числе 1 в ведущем рецензируемом научном журнале из Перечня рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Содержание работы изложено на 157 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков и 16 таблиц. Библиографический список содержит 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрена буровая установка как сложный технический комплекс, состоящий из механизмов и оборудования и обеспечивающий с помощью бурового инструмента самостоятельное выполнение технологических операций по проводке скважин. Рассмотрено назначение устройств СВП и СПК, известные методики расчета их параметров.

Исследованию различных факторов (вид и мощность привода, скорость подъема, длина свечи, нагрузки на крюке, КПД и инерционность системы в целом), влияющих в отдельности на машинное время tм и степень неполноты тахограммы при подъеме колонны бурильных труб, посвящены работы Архангельского В. Л., Моцехейна Б. И., Авакова А. В., Тарасевича В. И., Вирновского А. С. и др. Недостатком этих работ является невозможность их использования на стадии проектирования с целью оптимизации параметров СПК и сравнительной оценки эффективности применяемых конструкторских

Выполнен анализ и выявлены недостатки, присущие известным конструкциям и методикам расчета. Эффективность БУ определяется, в том числе, производительностью и надежностью входящих в нее систем.

При анализе работы СВП и СПК выявлено несколько причин, ухудшающих надежность. Так повышенный износ элементов привязки СВП вызывается появлением на некоторых режимах работы высоких колебаний. Надежность СПК понижается за счет преждевременного выхода из строя каната СПК. Выявлена также возможность повышения эффективности работы СПК за счет задания ему при проектировании рациональных параметров.

В результате анализа существующих устройств и известных методик были сформулированы следующие задачи исследования:

совершенствование методики расчета параметров при проектировании системы верхнего привода;

совершенствование методики расчета параметров при проектировании спуско-подъемного комплекса БУ;

разработка мероприятий для повышения эффективности и надежности буровых установок.

Во второй главе исследован рабочий процесс системы верхнего привода. На буровом станке «Уралмаш 3900/225» (заводской № 14700) установлена система силового верхнего привода Varco Sistems TDS-9S.

В начале эксплуатации обнаружился существенный недостаток – колебания с большой амплитудой системы «буровой станок – СВП». Колебания были такой величины, что происходили удары по платформе верхнего рабочего. Появление больших колебаний объясняется тем, что частоты вынужденных колебаний при работе вращателя совпадают с собственными частотами системы привязки верхнего привода к мачте. При длительной работе в данных режимах эксплуатации неизбежно возникновение таких последствий, как выход из строя креплений неподвижной части.

Для выявления возможностей исключения колебаний за счет разработки соответствующих конструкций систем привязки и задания таким конструкциям рациональных параметров были проведены замеры амплитуд и частот. Для замеров был разработан специальный диагностический комплекс, состоящий из трех основных частей: направляющей с датчиками, контроллера и запоминающего устройства.

На направляющую СВП закреплены датчики ускорения, предназначенные для измерения ускорений по одной оси. Достаточно проводить замеры только по одной оси, так как колебания по другой несущественны. Измерения проводились при работе бурового станка на период бурения одной свечой. Длина свечи (свеча ( две трубы, соединенные вместе) составляет 25 метров. Всего было проведено 20 замеров. В среднем одно измерение длилось 2100 секунд. В результате замеров получено, что на уровне 23…24 метров от уровня пола буровой площадки возникает резкий рост амплитуды колебаний (временной промежуток 21,5…25 минут), частота

колебаний 1…1,2 Гц.

В результате измерений были зафиксированы резонансные зоны при работе СВП. Для исключения работы системы в неблагоприятных динамических режимах предлагается изменить конструкцию неподвижной части СВП путем установки дополнительных балок. Дополнительные балки повысят жесткость системы, и как следствие собственные частоты примут другие значения, не совпадающие с частотами вынужденных колебаний.

В третьей главе разработана методика расчета основных параметров СВП и системы гашения динамических колебаний. Методика включает алгоритм подбора СВП к буровому станку.

Максимальный положительный эффект применения верхнего привода достигается при корректном подборе, т.е. при оптимальном соотношении параметров. В противном случае совместная работа систем малоэффективна, а в некоторых случаях небезопасна. СВП необходимо подбирать к конкретным буровым станкам и на конкретные условия бурения.

Алгоритм подбора параметров силового верхнего привода к буровой установке обеспечивает выбор наиболее перспективного по технико-экономическим показателям варианта из имеющихся в базе данных. Подбор СВП осуществляется по грузоподъемности; крутящему моменту, передаваемому на буровую колонну; диапазону диаметров используемых труб; давлению бурового раствора, подаваемого в скважину; длине компоновки.

Методика расчета требуемых параметров системы привязки верхнего привода основана на определении частоты собственных колебаний.

Расчет для определения частоты и форм собственных колебаний проведен в среде инженерного анализа APM WinMachine в модуле конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния APM Structure3D. Данный модуль имеет сертификат соответствия Госстроя России № 03111087. Расчетная схема показана на рис. 1.

Конечно-элементная модель системы верхнего привода состоит из направляющей и разнесенных масс с моментом инерции, аналогичным моменту инерции верхнего привода.

Просчитывалось 26 положений СВП: от 5 метров до 31 метра с шагом 1 метр (за ноль принят уровень рабочей площадки).