Введение к работе
Актуальность проблемы. Бурение - это один из основных способов добычи полезных ископаемых, связанный со строительством скважины, глубина которой многократно превышает ее диаметр. В большинстве скважин, пробуриваемых для добычи нефти и газа, применяется силовой верхний привод (СВП). Он состоит из вертлюга-редуктора, подвешенного на штропах на траверсе талевого блока. Наиболее распространен СВП с редуктором, но ведущие мировые производители активно работают над безредукторной компоновкой.
Несмотря на достигнутые результаты в нефтегазопромысле, в настоящее время еще нет соответствующих инженерных методов учета характера нагрузок для расчета деталей и узлов силового верхнего привода, работающего в режиме экстремальных перегрузок. Все вышеперечисленное заставляет инженеров-конструкторов либо закладывать избыточные коэффициенты запаса в процессе проектирования, либо выпускать продукцию, которая по своим показателям долговечности не соответствует запросам эксплуатирующих организаций. Это приводит к большим финансовым затратам и значительным потерям рабочего времени. Сложность математического описания и моделирования изучаемого объекта (СВП) заключается, главным образом, в отсутствии приемлемых готовых математических моделей, способных комплексно описывать данный объект с учетом всех его эксплуатационно-конструкторских связей.
Диссертационная работа является продолжением и развитием исследований в области расчета и применения деталей и узлов СВП, характеризуемых ТН ВЭД 8431430000 как части бурильных или проходческих машин и ОКП 366154 агрегатов и приводов буровых установок.
Исследование было проведено в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг.» по теме «Создание экономичного верхнего электропривода для мобильных буровых установок» сотрудниками АО «ПромТехИнвест» совместно с ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». Заказчик работы — Минобрнауки России (Соглашение № 14.577.21.0054 от 5.06.2014 г.). Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57714X0054. Данный проект проводится при финансовой поддержке Минобрнауки России.
Диссертационная работа посвящена исследованию нагруженности элементов редуктора
силового верхнего привода на основе данных телеметрии процесса бурения. На базе
выявленных в процессе работы данных были разработаны методы подборки расчетных нагрузок
и метод уточнения методики расчета деталей редуктора исследуемой машины. Эти данные позволяют:
используя данные телеметрии процесса работы СВП, определять расчетную нагрузку, приходящуюся на узлы и детали редуктора в процессе эксплуатации;
исследовать зависимость крутящего момента и времени работы буровой установки как функцию Велера для определения циклов, влияющих на разрушение деталей редуктора;
повышать долговечность бурового комплекса.
Низкая надежность отечественных СВП обуславливает зависимость нефтегазовой отрасли от аналогичного импортного оборудования, которое стоит значительно дороже отечественных СВП. В этой связи, исследование нагруженности элементов редуктора системы верхнего привода является актуальной темой.
Цель диссертационной работы — определение режима нагружения деталей и узлов СВП буровой установки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить сбор и обработку данных телеметрии процесса бурения;
-
Провести анализ и построить математические модели нагрузок, действующих на привод СВП при установившихся режимах работы;
-
Провести анализ и построить математические модели нагрузок, действующих на привод СВП при неустановившихся режимах работы СВП;
-
Выполнить частотный анализ и расчет собственной частоты СВП;
-
Построить кривую выносливости выходного вала СВП и по ней определить режим нагружения деталей и узлов СВП.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Выявлена математическая зависимость крутящего момента на выходном валу СВП от глубины бурения при установившемся режиме работы.
-
Выведена система уравнений по определению крутящего момента на выходном валу СВП в зависимости от частоты вращения привода, прочности грунта и времени, позволяющая установить предельные нагрузки на редуктор при строганье и разгоне.
-
Установлено, что зона возникновения резонансных частот 5-10 рад/с находится на глубине бурения 1500-2500 метров.
-
Доказано, что кривая выносливости выходного вала редуктора СВП при работе буровых установок грузоподъемностью 250-320 тонн в Ханты-Мансийском автономном округе — Югра, свидетельствующая не о среднем, как считалось ранее, а о тяжелом режиме нагружения.
Теоретическая и практическая значимость:
-
Разработанная математическая модель зависимости крутящего момента от глубины бурения позволит делать проверочные расчеты при составлении плана строительства и ремонта скважин, что приведет к более рациональному использованию номенклатуры бурового оборудования.
-
Получена математическая модель разгона СВП позволит на стадии проектирования достоверно рассчитать динамические нагрузки, приходящиеся на редуктор в момент пуска двигателя ротора в зависимости от устанавливаемой частоты вращения и прочности грунта.
-
Создана основа для дальнейших исследований специфических динамических процессов работы СВП при свинчивании и развинчивании буровых труб, для своевременного отключения и включения тормозов, для создания систем автоматического бурения и т.д. Полученные знания о нагрузках на основном механизме буровой установки при выполнении различных технологических операций позволят в дальнейшем построить более адекватные математические модели всей буровой установки.
-
Выявленная зона резонансных частот дает буровому мастеру рекомендации по выбору скорости вращения и режима подачи бурового инструмента. Получены исходные данные для создания демпфирующих устройств по снижению амплитуды колебаний нагрузки на выходном валу СВП и буровой колонне.
-
Выявленный и обоснованный тяжелый режим нагружения СВП в процессе работы позволит заложить более высокую долговечность и прочность деталей и узлов изделия еще на стадии расчетов и исключить их поломки в процессе эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Обоснование необходимости расчета редуктора СВП не по среднему, а по тяжелому режиму нагружения.
-
Зависимость крутящего момента на выходном валу СВП от глубины бурения при установившейся работе.
-
Зависимость крутящего момента от частоты вращения и категории прочности грунта при разгоне привода в начале работы.
Достоверность теоретических результатов проведенных исследований подтверждена данными систем мониторинга процесса бурения натурных буровых установок, работающих на месторождениях восточной Сибири.
Результаты диссертации, касающиеся режима нагружения, внедрены на предприятии АО «ПромТехИнвест» для выполнения прочностных расчетов редуктора СВП (Акт внедрения Приложение А).
Материалы диссертации соответствуют специальности 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин.
Объект исследования: детали и узлы электромеханических СВП БУ БУ4200/250ЭЧК-БМ, находящиеся под воздействием эксплуатационных нагрузок в Ханты-Мансийском автономном округе — Югра.
Предмет исследования: режим нагружения в процессе бурения с использованием СВП, расчетное и экспериментальное определение характера и типа нагружения вращателя.
Методы исследования базируются на использовании общей теории нагружения, численных и аналитических методах расчета нагруженных элементов на прочность и долговечность Когаева В. П., Махутова Н. А., Гусенкова А. П., а также на методах обработки данных телеметрии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2016), научно-практической конференции «Cовременное машиностроение. Наука и образование» (Санкт-Петербург, 2016), научно-техническом семинаре «Инновации в науке – инновации в образовании» (2016).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации представлены в 9 работах, из них 1 — в журнале «Химическое и нефтегазовое машиностроение», входящем в состав Скопус и ВАК РФ, 1 — в журнале «Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки», входящем в состав ВАК РФ, 3 статьи — в РИНЦ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 166 страницах, включает в себя 7 таблиц, 57 рисунков и 56 формул. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающего в себя 114 наименований, и приложения, содержащего 1 акт внедрения.