Анализ кинематической схемы буровой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)Факультет дополнительного и дистанционного образования

Кафедра «МОНГП»

Контрольная работа

по курсу «Приводы бурового и нефтепромыслового оборудования»

на тему: «Анализ кинематической схемы установки БУ 80 БрЭ »

Выполнил:

Иванников Е.П.

Проверил:

Папировский В.Л.

Самара 2016 г

ВВЕДЕНИЕ

Буровые установки представляют собой сложный комплекс машин, механизмов и оборудования со взаимосвязанными эксплуатационными функциями. Все эти функции-силовые, и направлены они на производство и распределение мощности по отдельным узлам и элементам комплекса с целью приведения их в кинематическое взаимодействие.

Графическая модель, изображающая это взаимодействие, называется кинематической схемой.

Кинематическая схема является основным документом, позволяющим, с одной стороны, понять принцип работы буровой установки, а с другой -- выполнить необходимые инженерные расчеты энергетических и силовых параметров отдельных машин и агрегатов бурового комплекса. Это означает, что навыки понимания и чтения кинематических схем, анализа взаимодействия их отдельных элементов являются необходимым и обязательным ингредиентом инженерных знаний в области бурения скважин, проектирования, ремонта или эксплуатации бурового оборудования.

Настоящая книга является учебным пособием для изучения кинематических схем буровых установок в рамках из современной классификации по ГОСТ 16293--89. Цель учебного пособия -- научить студента или начинающего инженера понимать кинематические схемы буровых установок и свободно разбираться в динамических связях их отдельных узлов или элементов.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Назначение буровой установки

Буровая установка предназначена для бурения скважин различного назначения, отличающихся глубиной, диаметральными размерами и конструкциями. Эти отличия определяются целями бурения. Скважины бурят для решения инженерных, изыскательских, геофизических, структурно-- поисковых, геологоразведочных и нефтегазодобывающих задач. При этом существенное значение имеют климатические, геологические и дорожные условия, а также среда, где проводится бурение: суша или море.

Такое многообразие факторов предполагает необходимость разработки системного ряда буровых установок. Наличие такого ряда позволяет осуществить единственно целесообразный выбор типоразмера буровой установки для заданных условий бурения.

В связи с этим все типы буровых установок подразделяют на две категории:

первая -- для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения;

вторая -- для бурения неглубоких геологоразведочных, структурных и инженерного назначения скважин.

В нефтегазовой промышленности применяются буровые установки первой категории. Они обеспечивают бурение скважин вращательным способом для поисков и разведки месторождений, а также для добычи нефти и газа.

Анализируемая кинематическая схема.

№ пп	Фамилия студента	Кинематическая схема буровой установки	Приложение
			№ 2	№3
1		БУ 6500 ДГ	+
2	Панюков	БУ 5000/320 ДГУ-1	+
3		БУ 160		+
4		Уралмаш 3Д - 86	+	+
5	Бобылев	Уралмаш 5Д		+
6	Бежин	БУ 3200/200 ДГУ - 1	+
7		БУ 2500/160 ДГУ - М	+	+
8	Кужаков	БУ 3000 - БД	+	+
9		БУ 50 - БрД	+
10		БУ 75 - БрД - 70	+
11		БУ 80 БрД	+	+
12	Иванников	БУ 80 БрЭ	+

В соответствии с заданной кинематической схемой, выполнить описание передачи мощности от двигателей до крюка и стола ротора.

Вычислить КПД кинематической схемы от двигателей до крюка и стола ротора.

Вычислить скорости вращения валов, барабана лебёдки и стола ротора и построить диаграмму скоростей вращения.

1. Описание участка кинематической схемы, объединяющего мощность силовых двигателей

Примеры описания участка кинематической схемы выполним, используя фрагменты несколько кинематических схем.

Для более современных буровых установок применяется схема объединения мощности двигателей с применением цепной объединяющей трансмиссии.

Эта схема с малыми изменениями применяется в большинстве буровых установок. Рассмотрим её на примере БУ 80 БрД (рисунок 1)

Движение от первого дизеля передаётся через муфту на турботрансформатор. С него через карданный вал движение передаётся на ШПМ. Здесь обе полумуфты установлены на вале объединяющей трансмиссии. Полумуфта с шиной - глухо, а полумуфта с барабаном - на подшипниках качения. Поэтому потерь при такой установке муфты - нет.



Рисунок 1

С муфты движение передаётся на вал, далее через цепную передачу на выходной вал. (По рассмотренной выше причине потери в ШПМ на выходе из объединяющей трансмиссии не учитываем). С него, через карданный вал, движение передаётся на входной вал наклонного редуктора, далее через цепную передачу на входной вал коробки скоростей.

При передаче мощности от второго двигателя на коробку передач кинематическая цепочка, по сравнению с кинематической цепочкой от первого двигателя, удлиняется на одну цепную передачу и один вал.

При передаче мощности от третьего двигателя на коробку передач кинематическая цепочка ещё удлиняется на одну цепную передачу и один вал.

Формула расчёта КПД от первого двигателя до первичного вала коробки скоростей выглядит так

зд1-кор = зм * зтт * зкв * зв * зц * зв * зкв * зв * зц

зд1-кор = 0,991 * 0,9922 *0,991 0,991 *0,993 *0,991 *0,991 *0,991 *0,993 = 0,9934 = 0,711

зд2-кор = 0,9938 = 0,682

ри передаче мощности на насосы получаем такие же кинематические цепочки, только в нумерации первый и третий двигатели меняются местами.

При расчёте суммарной мощности приводов с турботрансформаторами, мощность двигателей просто складывается.

При постоянной скорости вращения валов двигателей, вторичный вал турботрансформатора будет изменять скорость вращения в зависимости от нагрузки. В среднем скорость вторичного вала турботрансформатора вдвое меньше скорости вращения вала двигателя.

2. Коробки перемены передач

Коробки перемены передач и передачи с них на лебёдку и на ротор выполняются по-разному на установках Волгоградского завода буровой техники и Уралмаш завода.

Коробки перемены передач Волгоградского завода буровой техники с планетарными передачами рассматривать не будем ввиду их редкого применения.

Наиболее часто коробки перемены передач Волгоградского завода буровой техники выполняются по схеме, ставшей почти стандартной. Рассмотрим её на примере БУ 80 БрД (рисунок 2)

Между первичным и вторичным валами коробки имеются четыре цепных передачи с различными передаточными отношениями, что позволяет вторичному валу вращаться с четырьмя скоростями. Эти четыре скорости передаются с помощью цепной передачи 5 (z=23 - z=72) на подъёмный вал лебёдки. Эти же четыре скорости через цепную передачу (z=31 - z=31), вал, коническую передачу (z=24 - z=25), вал, карданный вал передаются на ротор.

Отметим, что числа зубьев конической передачи на данной схеме не указаны. К сожаленью почти все кинематические схемы имеют такие недостатки. Найти необходимые данные можно рассмотрев другие родственные кинематические схемы. Так установки БУ 80 БрД и БУ 80 БрЭ отличаются видом применяемых двигателей. Коробки скоростей и лебёдки в них одинаковы. Используем данные с этой кинематической схемы.

При подсчёте КПД участка кинематической схемы следует учесть, что при работе может быть включена только одна скорость. Потери в цепных передачах, вращающихся в холостую считаются пренебрежительно малыми. Полумуфты для каждой из всех муфт на рассматриваемом участке кинематической схемы находятся на одном и то же вале. Следовательно - потерь в муфтах нет.

Рисунок 2

При расчёте КПД от первичного вала до крюка последовательность учёта КПД элементов следующая: КПД первичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вторичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД подъёмного вала, КПД талевой системы. Здесь отметим, что КПД подъёмного вала отличается от КПД других валов (см. приложение 1).

КПД талевой системы также см. в приложении 1.

При расчёте КПД от первичного вала до ротора следует учесть следующие составляющие: КПД первичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вторичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вала, КПД конической зубчатой передачи, КПД вала, КПД карданного вала, КПД ротора.

Математическая запись КПД, будет следующей:

зпв-крюк = зв * зц * зв * зц * зпв * зтс

зпв-крюк = 0,991 * 0,993 * 0,991 * 0,993 * 0,993 * 0,9913 = 0,9924 = 0,786

Принята оснастка 4х5

зпв-ротор = зв * зц * зв * зц * зв * з кзп * зв * зкв * зротора

зпв-ротор = 0,991 * 0,993 *0,991 0,993 *0,991 *0,993 *0,991 *0,991 *0,997 = 0,9921 = 0,81

Расчёт скоростей вращения барабана лебёдки и стола ротора

Скорость вращения выходного вала двигателей равна 750об/мин.

Для удобства описания обозначим валы на которых происходит изменение скорости вращения римскими цифрами как показано на рисунке3.

На вале 1 имеем 750об/мин.

Для расчёта скорости вращения вала 2, приводимого во вращение от вала 1через цепную передачу (z=31 - z=46), выполним вычисление:

Где 31 - число зубьев звёздочки цепной передачи, находящейся на вале 1;

46 - число зубьев звёздочки цепной передачи, находящейся на вале 2.

Действуя аналогично, подсчитаем скорость вращения первичного вала 3 коробки передач:

Рисунок 3

Вторичный вал коробки передач 4 будет иметь четыре скорости.

Первая самая низкая скорость получится при наибольшем передаточном отношении:

об/мин

Вторая

Третья

об/мин

Четвёртая

 об/мин

Подъёмный вал5 будет вращаться со скоростями:

об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

При передаче движения со вторичного вала коробки на быстроходный вал ротора 6 имеем следующее: Цепная передача со звёздочками на ведущем и ведомом валах по 31 зубу скорости вращения не меняет. Коническая зубчатая передача изменяет скорость следующим образом:

об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

На схеме нет данных для определения передаточного отношения с быстроходного вала на стол ротора. Для решения этой проблемы используем ГОСТ 16293 89 (приложение 2), из которого видно, что для группы буровых установок 3, 4, 5 классов используется ротор одного типоразмера. Поэтому данные по искомому передаточному отношению возьмём с кинематической схемы БУ 3000 БД.

Скорости вращения стола ротора7 равны:

 об/мин

об/мин

об/мин

об/мин

Результаты расчёта сведём в таблицу 1 и построим график рисунок 4.

Полученные данные пригодны для дальнейшего анализа достоинств и недостатков анализируемой кинематической схемы.

Таблица 1 Скорости вращения валов

Скорости	Номера валов
	1	2	3	4	5 Подъёмный вал	6	7 Стол ротора
1	750	505	284	92	42	88	27
2	750	505	284	135	62	129	40
3	750	505	284	193	88	185	57
4	750	505	284	368	168	353	109

Рисунок 4

1.2 Функции и состав буровой установки

Технологический цикл бурения включает: разрушение горных пород, извлечение выбуренного шлама на дневную поверхность и крепление стенок скважины.

При разрушении горных пород необходимо обеспечить операцию вращения долота и его дозированной подачи на забой с одновременным наращиванием бурильной колонны, а также ее спуск и подъем для смены породоразрушающего элемента и забойного двигателя.

Для извлечения выбуренного шлама на дневную поверхность используют метод круговой циркуляции бурового раствора, что предусматривает операции его приготовления, закачивания в скважину и вывода наружу с последующей очисткой от обломков разрушенной горной породы. барабан лебедка ротор буровой

И, наконец, крепление стенок скважинного ствола осуществляется путем его обсадки металлической крепью, для чего внутрь скважины спускается колонна обсадных труб.

Для выполнения комплекса этих операций требуется определенный набор оборудования, отвечающего функционально тем требованиям, которые предъявляются к буровым установкам. Исходя из этого, в состав буровых установок включают:

-- наземные сооружения: вышка, основание, укрытия;

-- спуско-подъемное оборудование: талевый механизм с буровым крюком, лебедка;

-- оборудование для вращения долота: рабочая штанга, ротор, бурильная колонна, забойный двигатель;

оборудование для промывки: насосы, нагнетательный манифольд, буровой шланг, вертлюг, система приготовления бурового раствора, его очистки, сбора и хранения;

вспомогательное оборудование: лебедка для перемещения тяжестей, автоматизированный или механизированный комплекс спуско-подъемных операций (АСП), регулятор подачи долота (РПД), автоматический ключ буровой (АКБ), пневматические клинья (ПКР), противовыбросовое оборудование, система пневматического управления, пульты контроля за буровым процессом и т.п.:

-- энергетическое оборудование: силовой привод, обогревательные устройства, тошшвомаслоустановка, компрессорные установки, дизель-электрические станции и проч.

Весь этот набор оборудования, машин, механизмов и инструмента, скомплектованный в модули, блоки или поагрегатно и имеющий вза-

имосвязанные эксплуатационные функции и технические параметры, представляет собой буровую установку.

1.3 Шифры буровых установок

Для того, чтобы различать буровые установки по типам и назначению, им присваивается шифр, который состоит из ряда буквенных и цифровых обозначений. Эти обозначения выделяют главные параметры буровых установок, а также принципиальные отличительные признаки и, в соответствии с ГОСТ 16293--89, означают:

БУ -- буровая установка;

первое число -- условная глубина бурения, м;

второе число -- допускаемая нагрузка на крюке, т или 10" кН;

Э -- электрический привод переменного тока с питанием

от промышленной электросети;

ДГ -- дизель-гидравлический привод;

ЭР -- электрический регулируемый (тиристорный) привод

с питанием от промышленной сети;

ЭП -- электрический привод постоянного тока с питанием

от промышленной сети;

ДЭР, ДЭП -- электрический регулируемый (тиристорный) или

электрический привод постоянного тока с питанием от автономных

дизель-электрических станций;

У -- универсальная монтажеспособность;

К -- кустовое бурение;

1; 1М; 2М -- модификации установок..

Пример шифра:

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Классификатор по ГОСТ 16293--89 включает 12 классов буровых установок, отличающихся друг от друга допускаемой нагрузкой на крюке (кН), условной глубиной бурения (м), расчетной мощностью привода на входном валу подъемного агрегата (кВт) и другими параметрами (табл. 1).

При этом первый параметр -- допускаемая нагрузка на крюке -характеризует способность подъемного комплекса буровой установки, который представлен буровой вышкой с основанием, лебедкой с приводом и талевой системой, воспринимать все виды вертикальных нагрузок от массы бурильного инструмента или обсадных колонн, а также нагрузок, возникающих при ликвидации аварий и осложнений в скважине. Второй параметр -- условная глубина бурения -- называется «условным» в связи с тем, что для расчета этого параметра масса 1 пог. м бурильной колонны условно принимается равной 30 кг. Это означает, что в каждом конкретном случае допускаемая глубина бурения может оказаться больше или меньше условной, что зависит от типа и массы бурильных труб, а также от компоновки бурильной колонны.

Эти два параметра называют основными или главными. Их численные значения входят в шифры буровых установок.

Унификация буровых установок по классам впервые была предпринята в 1959 г. Именно тогда была утверждена первая отраслевая нормаль Н900--59, которая предусматривала пять классов буровых установок, различающихся по номинальной грузоподъемности (50, 75, 125, 200 и 300 тс). Этот параметр является основным (главным) и вводится в шифры буровых установок (например, Уралмаш 125 БД). В 1970 г. был введен первый государственный стандарт -- ГОСТ 16293--70, в котором были представлены уже девять классов буровых установок, основными параметрами которых являлись максимальная нагрузка на крюке и условная глубина бурения. После введения ГОСТ 16293--70 в шифр буровой установки была внесена условная глубина бурения взамен номинальной грузоподъемности (например, БУ 2500 ДГУ). В 1982 г. был принят новый ГОСТ 16293--82, который был приведен в соответствие с требованиями Совета Экономической Взаимопомощи. Новый стандарт включал 11 классов буровых установок, основными (главными) параметрами которых являются допускаемая нагрузка на крюке и условная глубина бурения. Эти параметры вводятся в шифры буровых установок (например, БУ 1600/100 ЭУ). Наконец, в 1989 г. состоялась последняя корректировка стандарта, и в настоящее время действует ГОСТ 16293--89, основные (главные) параметры которого изменений не претерпели. Отличие нового стандарта состоит в том, что он классифицирует 12 классов буровых установок с нагрузкой на крюке от 800 до 10000 кН и условной глубиной бурения от 1250 до 16000 м (см. табл. 1).

Учитывая сказанное, легко понять, что каждый из классов современной классификации может включать буровые установки различных модификаций, разработанные в различные периоды и находящиеся до настоящего времени в эксплуатации. Систематизация существующих или разработанных буровых установок по классам и основным параметрам представлена в табл.2.

Кинематические схемы буровых установок этой систематизации рассматриваются в следующем разделе.

Таблица 1 Основные параметры буровых установок по ГОСТ 16293--89

Наименование параметров	Значения параметров для классов буровых установок
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Допускаемая нагрузка на крюке, кН	800	1000	1250	1600	2000	2500	3200	4000	5000	6300	8000	10000
Условная глуби-на бурения, м	1250	1600	2000	2500	3200	4000	5000	6500	8000	10000	12500	16000
Скорость подъема крюка при расхаживании колонны, м/с	0,1-0,25
Скорость подъ- ема крюка без нагрузки, м/с, не менее	1,5	1,3
Расчетная мощность, развиваемая приводом на входном валу подъемного агрегата, кВт	200-240	240-360	360-440	440-550	550-670	670-900	900-1100	1100-1500	1500-2000	2200-3000	3000-4000

Таблица 2 Систематизация буровых установок по классам и основным параметрам

Класс установки	Характеристика буровой установки
	Нагрузка на крюке, кН	Условная глубина бурения, м	Шифры
			Дизельный привод	Электрический привод
1	800	1250	БУ 50 БрД	БУ 50 Бр-- 1
2	1000	1 600	БУ 75 БрД-- 70 БУ 1600/100 ДГУ	БУ 75 БрЭ-- 70 БУ 1600/1 00 ЭУ
3	1250	2000	БУ 80 БрД	БУ 80 БрЭ
4	1600	2500	БУ 2500/160 ДГУ-- М	БУ 2500/1 60 ЭП (ДЭП.ЭПК)
5	2000	3200	БУ 3000 БД БУ 3200/200 ДГУ-- 1	БУ 3000 БЭ БУ 3200/200 Эу-- 1 (ЭУК)
6	2500	4000	БУ 4000 Д-- 1	БУ 4000 Э-- 1
7	3200	5000	Уралмаш ЗД -- 86 БУ 5000/320 ДГУ-- 1	Уралмаш 4Э -- 86 БУ 5000/320 ЭР-1 (ДЭР-- 1)
8	4000	6500	БУ6500ДГ	БУ6500Э БУ 6500/400 ЭР (ДЭР)
9	5000	8000	--	БУ 8000/500 ЭР
10	6300	11000	--	--
11	8000	12500	--	--
12	10000	16000	--	Уралмаш 15000

3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Кинематическая схема буровой установки представляет собой графическую модель, которая указывает, какими средствами реализуется движение составных звеньев машины или механизма.

В кинематической схеме буровой установки различают три основные кинематические цепи: подъемного механизма, привода ротора и привода насосов. Эти цепи допускают временную или постоянную связь между собой или остаются независимыми.

Кинематическая схема должна обеспечивать заданный (необходимый) диапазон изменения и регулирования скоростей движения составных звеньев механизма, а также спуска и подъема колонны бурильных труб.

Степень сложности кинематической схемы оценивается:

количеством элементов и органов управления;

числом сложных в изготовлении и сборке узлов;

характером расположения валов;

наличием дублирующих цепей и степенью механизации.
Компоновка кинематических схем определяется типом привода, принятым

для буровой установки. Типы привода подразделяются на:

-- индивидуальный, когда каждый исполнительный механизм имеет
собственный двигатель;

-- групповой, когда вся мощность двигателей суммируется редуктором,
который и является единым раздаточным механизмом;

-- смешанный, когда кинематическая схема включает элементы
индивидуального и группового приводов.

3.1 Буровые установки 3--го класса

Примечание: Буровые установки БУ 80 БРД, БУ 2500 (приложение 3) и

БУ 2500/160 ДГУ-М имеют практически одинаковые кинематические схемы.

В случае нехватки данных при рассмотрении данной кинематической схемы, можно воспользоваться данными кинематических схем других установок.

БУ 80БрЭ

Буровая установка БУ 80БрЭ (рис. 8) имеет групповой электропривод установленной мощностью 990 кВт и размещена на трех основных блоках: вышечно-лебедочном (вышка, лебедка, КПП, ротор, вспомогательная лебедка), насосно-силовом (насос и силовой привод), насосно-трансмиссионном (насос и цепной редуктор). Монтаж установки может быть осуществлен как крупноблочным, так и мелкоблочным способами, а при необходимости -- установка поддается поагрегатной сборке-разборке.

Установка БУ 80 БрЭ предназначена для бурения скважин с условной глубиной до 2500 м (114 мм бурильные трубы). Допустимая нагрузка на крюке 1400 кН (140 тс). Масса -- 247 т. Изготовитель -- Волгоградский завод бурового оборудования «Баррикады».

Электрический привод (см. рис.8) включает два синхронных электродвигателя 10 переменного тока СД ЗБ--13--42--8А мощностью 450 кВт каждый при 750 об/мин. Суммирование мощности осуществляется цепным редуктором 15, который одновременно является и раздаточным звеном этой мощности на лебедку, ротор и буровые насосы.

Привод на барабан 3 лебедки осуществляется с помощью шинно-пневматической муфты 4, цепной трансмиссии 5, коробки перемены передач 7 и карданно-цепного звена 8,9. Управление приводом производится шиннопневматическими муфтами 6 типа ШПМ--700. Коробка перемены передач 7 образует три скорости на барабан 3 лебедки и шесть -- на ротор 1, который приводится с помощью карданного вала 2 и шинно-пневматической муфты 18. Привод автоматической подачи долота на барабан осуществляется регулятором РПДЭ--3, состоящим из электродвигателя 16 мощностью 32 кВт и редуктора 17. Гидродинамический тормоз 19 (однороторный, диаметром 1200 мм, тормозной момент 5000 кгс.м) управляется шиннопневматической муфтой 4 типа ШПМ--1070. Буровые насосы 14 получают привод от суммирующего редуктора 15 через карданно-цепную передачу 12, 13 и индивидуально управляются сдвоенными шиннопневматическими муфтами 11 типа 2ШПМ--500. Аналогичными муфтами управляется суммирующий редуктор 15.

Опытная партия буровых установок БУ 80 БрЭ прошла промышленные испытания в 70-х годах. Испытан также образец со смешанным электроприводом: один электродвигатель приводит во вращение лебедку и ротор через общую коробку перемены передач, два других предназначены для индивидуального привода двух буровых насосов БрН--1, причем вместо карданно-цепной передачи здесь применяется простая клиноременная.

В настоящее время установка БУ 80 БрЭ с производства снята.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Алексеевский Г.В. Буровые установки Уралмашзавода. -- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. --528 с.

Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы: Учебник для вузов. -- М.: Недра, 1988.--501 с.

Белоусов Д.И., Рощупкин В.И. Буровые установки. М.: Недра 1973.-240 с.'

Денисов П.Г. Сооружение буровых. -- М.: Недра, 1989. -- 397 с.

5. Ильский А. Л., Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Г. Расчет и конструирование бурового оборудования: Учебное пособие для вузов --- М.: Недра, 1985. --452с.

6. Новые буровые установки. Справочное пособие. Составители: В.Л. Архангельский, Ю.С. Аважанский, И.Б. Малкин. -- М.: ВНИИБТ, 1991. - 163

Размещено на Allbest.ru