Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор основных направлений развития конструкций буровых установок и анализ исследований, проводимых в области их проектирования 6
1.1. Основные тенденции совершенствования конструкций буровых установок 6
1.2. Анализ научных исследований, проводимых в области бурового оборудования 12
1.3. Сравнительный анализ схем подъема А-образных вышек буровых установок 14
Глава 2. Математические модели функционирования механизмов подъема вышки 24
2.1. Общие требования к математическим моделям функционирования механизмов подъема вышек 24
2.2. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 1 27
2.3. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 2 51
2.4. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 3 68
2.5. Определение напряжений в стержнях вышки при ее подъеме 83
Глава 3. Оптимизация параметров механизма подъема вышки 87
3.1. Общая концепция оптимального проектирования механизма подъема 87
3.2. Выбор оптимальных параметров механизма подъема на первоначальной стадии проектирования 89
3.3. Уточнение выбранных параметров механизма подъема на заключительных стадиях проектирования 96
Глава 4. Практическая реализация разработанных методов 102
4.1. Руководящий технический материал «Расчет подъема вышки» 102
4.2. Расчёт подъёма вышки БУ2900/175ЭПБМ 108
Список литературы 129
Приложения 138
- Анализ научных исследований, проводимых в области бурового оборудования
- Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 1
- Выбор оптимальных параметров механизма подъема на первоначальной стадии проектирования
- Расчёт подъёма вышки БУ2900/175ЭПБМ
Введение к работе
В последнее время в России начали существенно возрастать объемы буровых работ. Увеличивается потребность в буровых установках, обладающих возможностью на высоком техническом уровне и в короткие сроки осуществлять полный цикл строительства нефтяных и газовых скважин.
Совершенствование бурового оборудования диктуется развитием технологии бурения - усложняются конструкции скважин, все чаще применяются методы наклонного и горизонтально направленного бурения, увеличивается глубина скважин и длина бурильной колонны и т.д. С другой стороны, задачи ускорения всего комплекса работ по проводке скважины требуют снижения непроизводительного времени, в первую очередь, за счет ускорения монтажа и демонтажа буровой установки, снижения времени и затрат на транспортировку с одной точки бурения на другую.
Таким образом, одной из самых актуальных задач нефтяного машиностроения является совершенствование выпускаемого оборудования, с тем, чтобы оно, во-первых, соответствовало требованиям развивающейся технологии бурения и, во-вторых, способствовало снижению непроизводительного времени при проводке скважин - в частности, уменьшению времени монтажа-демонтажа буровой установки. Эти задачи, как правило, определяются конструктивными решениями, принимаемыми на стадии проектирования.
Наиболее широко в конструкциях современных буровых установок применяются А-образные буровые вышки. При монтаже буровой установки на месте бурения наиболее ответственной операцией является подъем вышки. В процессе подъема на вышку, основание и сам механизм подъема вышки дейст-
вуют значительные усилия, вызывающие напряжения, в ряде случаев сравнимые с теми, которые возникают в процессе проводки скважины. В неудачных же вариантах конструкции механизма подъема напряжения в его элементах могут даже превышать рабочие напряжения в элементах самой вышки.
Для определения усилий необходимо построить математическую модель функционирования механизма подъема вышки. При этом, как показывает анализ, ввиду нелинейной связи между геометрическими и силовыми параметрами, входящими в математическую модель, последняя имеет достаточно сложную структуру; решение задачи требует разработки своего алгоритма решения для механизма подъема с каждой конкретной схемой и обязательного применения ЭВМ.
Настоящая работа посвящена созданию математических моделей функционирования механизмов подъема наиболее распространенных схем, разработке алгоритмов и программ их расчета и оптимизации и внедрению указанных разработок для использования в конструкторских и научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием бурового оборудования.
Анализ научных исследований, проводимых в области бурового оборудования
Постоянное повышение технического уровня буровых установок было бы невозможным без высокого уровня научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нефтебурового оборудования.
К фундаментальным исследованиям в части проектирования буровых установок и отдельных узлов и механизмов, входящих в их состав, относятся работы В.А. Авакова, В.Л. Архангельского, Р.А. Баграмова, Г.Н. Бержеца, Л.С. Гликмана, А.А. Даниеляна, СИ. Ефимченко, Ю.В. Зайцева, А.Л. Ильского, М.Я. Иткиса, С.Г. Калинина, Г.Б. Карапетяна, Я.С. Мкртчана, Г.В. Молчанова, А.Г. Молчанова, А.С. Николича, С.Г Скрыпника, В.И. Тарасевича, А.П. Шмид та, В.Г. Юртаева и др. [3, 4, 6, 17, 18, 21, 22, 30, 33, 34, 37, 38, 40-42, 45, 54, 55, 56, 57, 71, 72, 73, 76,91-94, 96, 99, 100 и др.].
Работы Г.Н. Бержеца [21, 22] легли в основу отраслевой нормали, по которой проектировались буровые установки. В этих работах решалась задача по оптимизации состава буровых установок по классам и значениям главных параметров. В этом же направлении велись исследования Л.С. Гликмана [30].
А.Л. Ильский в своих трудах [40-42, 68 и др.] рассмотрел и систематизировал методы конструирования оборудования буровой установки. Основываясь на теоретических изысканиях, подкрепленных экспериментальными исследованиями, он разработал методы расчета и выбора бурового оборудования, а также выбор параметров основных механизмов буровых установок любой грузоподъемности. В значительной мере определили современные научные и инженерные методы конструирования работы Р.А. Баграмова [17, 18 и др.].
Вопросам динамики буровых установок и их отдельных подсистем посвящены работы С.Г. Калинина, З.Г. Керимова, Е.В. Харченко, В.Г. Юртаева и др. [54, 55, 59, 98, 99-101 и др.].
В области расчета надежности буровых установок и их агрегатов и узлов можно отметить работы С.Г. Бабаева, Ю.А. Васильева, и др. [14, 15, 16 и др.].
Во многих работах, посвященных проектированию и расчету отдельных подсистем буровых установок, успешно применяются методы автоматизации проектных работ, основанные на широком использовании средств современной вычислительной техники [37, 45-62, 78, 83 и др.].
Вопросами расчета и проектирования буровых вышек занимались Е.С. Булгаков, А.И. Ильиных, М.Я. Иткис, Ю.В. Миронов, Г.Д. Поляков, В.Г. Порошин, Н.А. Северинчик, Н.А. Сидоров В.З. Шаяхметов и др. [39, 45, 53, 69, 70, 80, 81, 84, 88, 90 и др.]. При этом следует отметить, что, по сравнению с другими подсистемами буровых установок (такими, как спуско-подъемный комплекс, насосная группа, привод и его элементы и т. д.), исследованиям А-образных буровых вышек посвящено гораздо меньшее число работ, и, в основ ном, они носят описательный характер. Вопросы же, связанные процессом их подъема изучены совершенно недостаточно; в литературе, как правило, рассматриваются только технологические аспекты операций подъема вышек [28, 31, 35,43, 60, 67, 79, 82, 92 и т. д.].
А-образные вышки широко применяются в конструкциях современных буровых установок. Использование этого типа вышек объясняется рядом их преимуществ перед вышками других типов.
На этапе изготовления это достаточно простая технология сборки, сварки и контроля, высокие коэффициенты использования металла, рациональная удельная металлоемкость (отношение массы вышки к её грузоподъемности). На этапе эксплуатации это довольно простой и удобный монтаж, хороший обзор бурильщиком мест работы своих помощников и на полатях и непосредственно на буровой площадке. Хорошая просматриваемость движения талевого блока и крюка с инструментом. Расположение талевой системы на расстоянии, исключающем возможность соприкосновения и удара её о металлоконструкции вышки. Возможность применения на полатях боковых люлек, которые не только облегчают работу верхового помощника, но и менее травмоопасны и т.д. Поэтому вышки А-образного типа широко используются в конструкциях многих стационарных буровых установок для бурения на суше на нефть и газ.
Вышки такого типа изготавливаются как в России, так и за рубежом. К наиболее известным фирмам, изготавливающим такой тип вышек, в России относятся Волгоградский завод буровой техники - ВЗБТ и Уральский завод тяжелого машиностроения - «Уралмаш». В США это «LTV Energy Products», «IRI International» и «Pyramid Manufacturing», в Италии - «Silvio Ballerini», кроме того, такие вышки изготавливаются в Румынии - «UPETROM - 1 MAI S.A.». В процессе эксплуатации вышка буровой установки подвергается сложным комбинированным нагрузкам [32]. Расчет вышки, как правило, ведется на четыре расчетных состояния. 1. Рабочее состояние - случай, при котором производится ликвидация прихвата. В расчете вышки учитываются следующие нагрузки: а) допускаемая нагрузка на крюке; б) горизонтальные и вертикальные составляющие усилий в ходовом и неподвижных концах талевого каната; в) собственный вес вышки и вес установленного на ней оборудования; г) вес подвижных частей талевой системы; д) нагрузки, создаваемые уклоном свечей бурильной колонны макси мального веса; е) ветровые нагрузки, действующие на вышку, свечи за пальцем и уста новленное на вышке оборудование. Для рабочего состояния принимают два направления ветра: - ветер перпендикулярен плоскости ног; - ветер параллелен плоскости ног. Давление ветра принимают равным 250 Па, что соответствует скорости ветра 20 м/с. Нагрузки прикладывают в самом неблагоприятном сочетании. Для максимальной нагрузки на крюке и нагрузки, вызываемой максимальным рабочим ветром принимают, согласно [95] п. 1.12, коэффициент сочетаний 0,9.
Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 1
Такая схема подъема вышки осуществлена, в частности, в буровых установках типа БУ2500ЭУ. Схема подъема показана на рис. 2.1. Подъем производится при помощи собственной талевой системы, ходовой конец 3 которой, огибая обводной ролик б, идет на барабан 7 лебедки. Основное усилие, поднимающее вышку, создается ветвями подъемного каната 4, который, огибая верхние 5 и нижние 11 обводные шкивы, вытягивается талевым блоком 10. Для общности принимаем, что талевая система кроме основных шкивов укомплектована дополнительными обводными шкивами на ходовом (ОШХК) и неподвижном (ОШНК) концах талевого каната (конкретные случаи учитываются коэффициентами пгх и пгн - см. п. 2.2.1.). В этом случае формула к.п.д. талевой системы несколько изменяется по сравнению с каноническим случаем.
При анализе используют правую систему координат XYZ с осью ОХ, проходящей через опоры вышки; ее положительное направление принимается от левой ноги к правой. Начало О координат расположено посередине между опорами вышки; плоскость ZOY проходит через ось симметрии вышки (рис. 2.2, 2.3). На рис. 2.3 вышка показана при угле подъема р=0. В упрощенной постановке подобный анализ был рассмотрен в работе [45]. В настоящей работе анализ проведен при полном учете всех факторов, как силовых, так и геометрических.
Силы, действующие на вышку при подъеме, найдем из условия ее равновесия. Сумма моментов всех сил, действующих на вышку, относительно оси ОХ, проходящей через ее опоры (рис. 2.2) где Tx - натяжение ходового конца талевого каната; Тн — натяжение неподвижного конца талевого каната; F — суммарное натяжение подъемных канатов, присоединенных, к одной ноге вышки (на рис. 2.2 показана проекция F силы F на плоскость YOZ); Qi - суммарное натяжение канатов талевой системы (без Тх и Тн); Go — вес вышки (с учетом всех дополнительных устройств); av — расстояние вдоль оси вышки от опоры вышки до ее центра тяжести; bv — расстояние от центра тяжести вышки до плоскости, проходящей через оси ее ног; hx — плечо усилия Тх относительно оси ОХ; hH — плечо усилия Тн относительно оси ОХ; hfr hQi - плечи усилий FnQj относительно оси ОХ; рм — угол между неподвижным концом талевого каната и плоскостью ZOY; PF— угол между подъемным канатом и плоскостью ZOY; (р - угол подъема вышки. Натяжение Тх ходовой и Тн неподвижной ветвей талевой системы найдем по следующим формулам где rjo - к.п.д. талевой системы при текущей нагрузке Qi\ io- передаточное отношение талевой системы; rje - к.п.д. одного шкива талевой системы на подшипниках качения при текущей нагрузке Qj\ Пгх - коэффициент, учитывающий наличие дополнительного обводного шкива на ходовом конце талевого каната (ОШХК). Точно так же коэффициент пгн, используемый ниже, учитывает наличие дополнительного обводного шкива на неподвижном конце талевого каната (ОШНК) где rjm - к.п.д. талевой системы при номинальной нагрузке, соответствующей весу Q& бурильной колонны. Величина задается предварительно по результатам экспериментального определения или по литературным данным - в нашем случае вычисляется по формуле (2.6) при номинальном значении к.п.д. щ одного шкива; А - отношение момента потерь холостого хода к моменту при номинальной нагрузке. Задается по экспериментальным данным (см. [45]). х - степень загрузки талевой системы где Q0 - вес талевого блока; Qo - номинальная нагрузка, соответствующая максимальному весу бурильной колонны. Связь между к.п.д. rjmc талевой системы и к.п.д. родного шкива выражается формулой Натяжение Qs ветви подъемного каната, идущей от нижнего обводного шкива 11 к талевому блоку (см. рис. 2.1 и 2.3) где Q - усилие на уравнительном устройстве крюкоблока от натяжения Qs подъемного каната; as - угол между ветвью подъемного каната и вертикальной плоскостью ZOY.
Суммарное усилие в полиспасте подъемного каната, действующее на одну ногу где rjc- к.п.д. шкива полиспаста на подшипниках скольжения; nw - число ветвей полиспаста подъемного каната, приходящихся на одну ногу вышки. Воспользовавшись формулой суммы членов геометрической прогрессии, окончательно запишем Усилия Qi и Q выразим через вес Qn талевого блока (см. рис. 2.5). Для этого спроецируем силы, действующие на талевый блок на оси, перпендикулярные силам Qt и Q (углы а и а/ - см. на рис. 2.2). В результате получим Как видно из вышеприведенных формул, все усилия в канатах подъемного механизма можно выразить через веса Go вышки, Q0 талевого блока и геометрические параметры подъемного механизма, которые определяются соответствующими соотношениями, приведенными ниже.
Выбор оптимальных параметров механизма подъема на первоначальной стадии проектирования
На первоначальной стадии проектирования, когда известны значения лишь основных конструктивных размеров вышки и механизма подъема, выбор оптимальных параметров может быть только приближенным. Уточнение параметров, как уже было сказано, может быть проведено на дальнейших стадиях проектирования по разработанному алгоритму, реализованному в виде про граммы на ЭВМ. Однако уже на стадии предварительного проектирования необходимо определить основные параметры, от которых зависит величина нагрузок на вышку, основание и подъемный механизм. К ним относится в первую очередь размер/, определяющий точку крепления подъемного каната (полиспаста) на вышке и угол aF, определяющий, в конечном итоге, точку крепления верхних обводных шкивов (рис. 2.2 и 2.3). Ввиду малости угла сея полагаем, что размер/ на рис. 2.3 идентичен размеру/ на рис 3.1,а.
Как показывает анализ, наибольшие нагрузки действуют на вышку в начале подъема, когда момент, создаваемый силами ее веса максимален. Поэтому в качестве расчетного мы будем рассматривать горизонтальное положение вышки.
Силовая схема вышки и действующие на нее усилия показаны на рис. 3.1,а. На этом рисунке Нп — длина вышки от опоры до оси шкивов кронблока. Согласно формуле (2.22) G — вес вышки (без учета веса кронблока); GK вес кронблока. Принимаем, что вес вышки равномерно распределен по ее длине Н„ с интенсивностью Сила Qc представляет собой суммарную проекцию на ось вышки усилий во всех ветвях талевой системы. Проекция этих усилий на ось, перпендикулярную оси вышки мала и ею пренебрегаем. Сила R представляет суммарное усилие, действующее на вышку от подъемного каната. Его составляющие RB и Rp. Вначале определим положение точки В крепления подъемного каната, исходя из минимизации изгибных напряжений. Для этого рассмотрим характер распределения изгибающих моментов по длине вышки. Как видно из рисунка 3.1,6, эпюра изгибающих моментов имеет два максимума: первый в точке В крепления подъемного каната и второй - на участке ВО в точке с координатой х„. Анализ зависимостей (3.8) и (3.11) показывает, что уменьшение \МВ\ при увеличении размера /приводит к увеличению \Мтах\ и наоборот. Поэтому оптимальным будет такое значение/ при котором абсолютные значения величин моментов окажутся равными Подставляя в это равенство соответствующие значения, после преобразований получаем уравнение Решения уравнения (3.12) при различных значениях G0 приведены в табл. 3.1. После того, как определены изгибающие моменты по длине вышки можно определить продольные силы. Как следует из эпюры продольных сил (рис. 3.1,в), максимальное значение продольная сила N принимает на участке ОВ, где Сила Qc обусловлена приложением к кронблоку усилия Qi на крюке, Тх ходового и Тн неподвижного конца талевого каната. Ввиду того, что в начальный момент подъема вышки направления этих усилий составляют очень небольшой угол с осью вышки, можно принять Учитывая связь между Qi, Тх и Т,„ найдём (считаем, что дополнительный обводной шкив отсутствует) o, Ло - соответственно передаточное отношение и к.п.д. талевой системы; 775 - к.п.д. одного шкива талевой системы на подшипниках качения. Ввиду того, что мы рассматриваем этап подъема вышки, когда усилие Qi максимально, принимаем согласно [45] 775 = 0,98. Значения i0, rjo и у0 для талевых систем различной кратности сведены в табл. 3.2. где F - суммарное усилие в полиспасте подъёмного каната, действующее на одну ногу вышки. Оно определяется по формуле (2.8). Усилие Qs, входящее в эту формулу можно найти по формуле (2.7). Как показывает анализ, в начальных стадиях подъёма вышки усилия Q и Qi примерно одинаковы. Учитывая это, из формул (2.7) и (2.8) получаем
Расчёт подъёма вышки БУ2900/175ЭПБМ
В качестве примера рассмотрим расчёт по разработанной программе подъёма вышки буровой установки БУ2900/175ЭПБМ. Расчет проведем в диапазоне углов ф=2,5...87,5 через 5. Подъём этой вышки осуществляется по второй схеме. Входные данные записаны в табл. 4.7... 4.12. Результаты решения приведены в табл. 4.13...4.23. График изменения некоторых силовых факторов в процессе подъема вышки приведен на рис. 4.1. 1. На основе разработанной методики создан алгоритм и программа «VISHKA» расчета механизма подъема вышек буровых установок. Программа расчета подъема вышки составлена на языке программирования высокого уровня «Турбо-Паскаль» (версия 6.0) с применением стандартного пакета библиотек «TURBOPROFESSIONAL» для персональных компьютеров системы IBM PC. 2. На базе этой программы разработан руководящий технический материал «Расчет подъема вышки». РТМ внедрен в практику проектирования в ООО «Волгоградский завод буровой техники» (акт внедрения см. в приложении). 3. Фрагмент схемы тензометрирования некоторых стержней вышки БУ3900/225ЭПКБМ при подъеме (ф = 0) и испытательном состоянии (Q=270 тс) приведен на рисунке в приложении (с. 161). Из сравнения расчетных значений напряжений и напряжений, полученных экспериментально, прослеживается их достаточно хорошая сходимость. 1.
Сформулированы требования, предъявляемые к математическим моделям функционирования механизмов подъема вышек буровых установок и показано, что к существенным параметрам, которые обязательно должны быть учтены при формировании математической модели, кроме геометрических и силовых необходимо относить «излом» силовой ветви талевого каната, происходящий под действием веса талевого блока. 2. Разработаны математические модели функционирования встроенных механизмов подъема вышек, получивших наибольшее распространение в буровых установках, выпускаемых в настоящее время. 3. На основе созданных математических моделей разработаны подробные алгоритмы расчета всех основных геометрических и силовых параметров, необходимых для прочностных и геометрических расчетов механизма подъема, а также расчетов вышки, подвышечного основания и других узлов, на которые воздействуют усилия, возникающие при подъеме вышек. 4. Предложен аналитический метод оптимизации отдельных параметров механизма подъема буровой вышки. Метод позволяет на начальной стадии проектирования выбирать точку крепления подъемного каната на вышке и положение верхних обводных шкивов, исходя из минимизации изгибающего момента в опасном сечении вышки. 5. Разработан численный метод уточняющей оптимизации, эффективный на заключительных этапах проектирования. Метод основан на использовании программ, разработанных для расчета основных силовых и геометрических параметров механизма подъема. 6. На основе разработанной методики создан алгоритм и программа «VISHKA» расчета механизмов подъема вышек буровых установок. Программа расчета подъема вышек составлена на языке программирования высокого уровня «Турбо-Паскаль» (версия 6.0). 7. На базе этой программы разработан руководящий технический материал «Расчет подъема вышки». РТМ внедрен в практику проектирования в ООО «Волгоградский завод буровой техники» и может быть использован в конструкторских и научно-исследовательских организациях, занимающихся проектированием буровых установок.
