РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СПУСКО-ПОДЪЕМНОГО КОМПЛЕКСА БУРОВЫХ УСТАНОВОК
|
Введение 4
1. Литературный обзор 6
1.1. Технический уровень современных буровых установок, выпускае
мых в Российской Федерации 6
1.2. Состояние проблемы оценки качества буровых установок 11
1.3. Анализ методов определения долговечности (ресурса) несущих
элементов механических систем 21
1.4. Показатели транспортабельности и монтажеспособности буровых
установок 33
1.5. Формулирование целей и постановка задач исследования 37
2. Методика расчета энергетических затрат и затрат машинного
времени при спуско-подъемных операциях за цикл бурения скважины 40
2.1. Тахограмма скорости подъема талевого блока на высоту одной
свечи 41
2.2. Разгон колонны бурильных труб 42
2.3. Замедление талевого блока 48
2.4. Установившееся движение талевого блока 49
2.5. Учет характеристик силового привода при расчете энергозатрат и
затрат машинного времени при СПО 51
2.5.1. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ДГУ 52
2.5.2. Оценка затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бурильной колонны за цикл проводки скважины буровой установкой
БУ 2500-ДГУ 56
2.5.3. Учет влияния характеристики оперативной пневматической муфты на затраты машинного времени при СПО 58
2.5.4. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭУ 63
2.5.5. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭП 68
2.6. Анализ затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бу
рильной колонны в процессе проводки скважины буровыми установками с различными типами привода подъемного комплекса 73
2.6.1. Анализ затрат машинного времени 73
2.6.2. Влияние максимальной скорости подъема незагруженного талевого блока при СПО на затраты машинного времени 78
2.6.3. Оптимизация режимов работы КПП при СПО в приводе
БУ 2500-ДГУ 80
2.6.4. Влияние режима работы подъемного вала лебедки в период замедления при подъеме на затраты машинного времени 80
2.6.5. Влияние типа привода буровой установки на энергетические затраты при СПО 81
2.7. Результаты исследований и выводы по главе 87
3. Определение долговечности (ресурса) планетарной коробки перемены передач 89
3.1. Оценка долговечности (ресурса) зубчатой передачи 89
3.2. Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на контактную выносливость 92
3.3 Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на изгиб 97
3.1. Влияние аварийных подъемов на ресурс зубчатой передачи 99
3.2. Результаты исследований и выводы по главе 100
4. Результаты проведенных исследований и основные выводы 101
Список литературы 103
Приложения 113
1. Литературный обзор 6
1.1. Технический уровень современных буровых установок, выпускае
мых в Российской Федерации 6
1.2. Состояние проблемы оценки качества буровых установок 11
1.3. Анализ методов определения долговечности (ресурса) несущих
элементов механических систем 21
1.4. Показатели транспортабельности и монтажеспособности буровых
установок 33
1.5. Формулирование целей и постановка задач исследования 37
2. Методика расчета энергетических затрат и затрат машинного
времени при спуско-подъемных операциях за цикл бурения скважины 40
2.1. Тахограмма скорости подъема талевого блока на высоту одной
свечи 41
2.2. Разгон колонны бурильных труб 42
2.3. Замедление талевого блока 48
2.4. Установившееся движение талевого блока 49
2.5. Учет характеристик силового привода при расчете энергозатрат и
затрат машинного времени при СПО 51
2.5.1. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ДГУ 52
2.5.2. Оценка затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бурильной колонны за цикл проводки скважины буровой установкой
БУ 2500-ДГУ 56
2.5.3. Учет влияния характеристики оперативной пневматической муфты на затраты машинного времени при СПО 58
2.5.4. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭУ 63
2.5.5. Силовой привод лебедки буровой установки БУ 2500-ЭП 68
2.6. Анализ затрат машинного времени и энергозатрат при подъеме бу
рильной колонны в процессе проводки скважины буровыми установками с различными типами привода подъемного комплекса 73
2.6.1. Анализ затрат машинного времени 73
2.6.2. Влияние максимальной скорости подъема незагруженного талевого блока при СПО на затраты машинного времени 78
2.6.3. Оптимизация режимов работы КПП при СПО в приводе
БУ 2500-ДГУ 80
2.6.4. Влияние режима работы подъемного вала лебедки в период замедления при подъеме на затраты машинного времени 80
2.6.5. Влияние типа привода буровой установки на энергетические затраты при СПО 81
2.7. Результаты исследований и выводы по главе 87
3. Определение долговечности (ресурса) планетарной коробки перемены передач 89
3.1. Оценка долговечности (ресурса) зубчатой передачи 89
3.2. Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на контактную выносливость 92
3.3 Расчет долговечности (ресурса) зубчатой передачи привода лебедки буровой установки БУ 2500-ЭПБМ1 на изгиб 97
3.1. Влияние аварийных подъемов на ресурс зубчатой передачи 99
3.2. Результаты исследований и выводы по главе 100
4. Результаты проведенных исследований и основные выводы 101
Список литературы 103
Приложения 113
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.
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. 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 монтажепригодности.
2. 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.
3. 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.
4. 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 подъемного вала (на примере БУ 2500-ДГУ) занижает затраты машинного времени почти на 6 % (при to = 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 выполажива- ется 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 - возрастают. Уменьшение максимальной скорости подъема незагруженного элеватора от 1.8 до 1.5 м/с приводит к увеличению затрат машинного времени на его подъем почти 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 60.4 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 KV ?5ПП-ЧП
5. Проведена сравнительная оценка степени неполноты тахограммы подъема бурильной колонны с различными типами привода по разработанной методике и по методике, предложенной Аваковым В.А.
6. Расчетами показано, что буровая установка БУ 2500-ЭП по сравнению с БУ 2500-ДГУ и 2500-ЭУ имеет лучшие эксплуатационные показатели, а ИМРНПЛ'
- затраты машинного времени на СПО за цикл бурения скважины (при подъеме бурильной колонны 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 20.4 МВт*ч и 27.8 МВт*ч соответственно.
7. Ресурс зубчатой пары планетарной КПП составляет:
- при расчете на контактные напряжения — 171 скважин;
- при расчете на изгибные напряжения — 242 скважины.
8. 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.
9. Разработанные методы рекомендуются для оптимизации конструктивно-кинематических схем и режимов эксплуатации СПК буровых установок
2. 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.
3. 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.
4. 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 подъемного вала (на примере БУ 2500-ДГУ) занижает затраты машинного времени почти на 6 % (при to = 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 выполажива- ется 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 - возрастают. Уменьшение максимальной скорости подъема незагруженного элеватора от 1.8 до 1.5 м/с приводит к увеличению затрат машинного времени на его подъем почти 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 60.4 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 KV ?5ПП-ЧП
5. Проведена сравнительная оценка степени неполноты тахограммы подъема бурильной колонны с различными типами привода по разработанной методике и по методике, предложенной Аваковым В.А.
6. Расчетами показано, что буровая установка БУ 2500-ЭП по сравнению с БУ 2500-ДГУ и 2500-ЭУ имеет лучшие эксплуатационные показатели, а ИМРНПЛ'
- затраты машинного времени на СПО за цикл бурения скважины (при подъеме бурильной колонны 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 20.4 МВт*ч и 27.8 МВт*ч соответственно.
7. Ресурс зубчатой пары планетарной КПП составляет:
- при расчете на контактные напряжения — 171 скважин;
- при расчете на изгибные напряжения — 242 скважины.
8. 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.
9. Разработанные методы рекомендуются для оптимизации конструктивно-кинематических схем и режимов эксплуатации СПК буровых установок
Подобные работы
- Разработка расчетных методов оценки качества спуско-подъемного комплекса буровых установок
Диссертации (РГБ), технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 470 р. Год сдачи: 2002 - Разработка расчетных методов оценки качества спуско-подъемного комплекса буровых установок
Диссертации (РГБ), технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 470 р. Год сдачи: 2002 - РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СПУСКО-ПОДЪЕМНОГО КОМПЛЕКСА БУРОВЫХ УСТАНОВОК
Диссертации (РГБ), технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2002