МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
кафедра «Механика и конструирование машин»
Курсовая работа
Разработка и усовершенствование конструкции силового вертлюга
для подъемной установки грузоподъемностью 125 тонн.
Проверил: Разработал:
доцент, зам. зав. кафедры магистрант гр. ММЭ 18-01
_________ Д.И. Чистов _________ И.И. Исмагилов
УФА-2019
СОДЕРЖАНИЕ
- Введение …………………………………….....…………...…………….…….3
- Основные функции ..……………………………………………………….….3
- Основные преимущества ……………………………………………………..4
- Область применения...………………………………………………….……...4
- Устройство силовых вертлюгов …………………………………………......5
- Анализ существующих силовых вертлюгов…………….…………………7
- Разработка предложений по усовершенствованию силовых вертлюгов…………………………………………………………………………..11
- Кинематическая схема……………………………………………………...13
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..14
- Введение.
Более половины мирового прироста добычи углеводородов сегодня обеспечивается горизонтальными и наклонно-направленными скважинами. Бурение таких скважин, их капитальный ремонт (КРС) и зарезка боковых стволов (ЗБС) требует применения систем верхнего привода (СВП).
В последнее время при КРС в подъемных установках широко используются силовые вертлюги. Применение силовых вертлюгов (СВ) позволяет сократить время на спуско-подъемные операции (СПО) и, следовательно, увеличить производительность. Поскольку основной составляющей процесса ремонта скважин являются СПО, и на эти операции затрачивается значительная доля времени всего цикла ремонта.
Силовые вертлюги предназначены для комплектации подъемных агрегатов при капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин. Они выполняют функцию вращателя и, кроме того, обладает рядом дополнительных возможностей.
В данной работе рассмотрена возможность усовершенствование конструкции редукторов силовых вертлюгов применяемых при КРС.
При этом были решены следующие задачи: изучен основные механизмы и принцип действия силовых вертлюгов, проведен анализ рынка и технических характеристик силовых вертлюгов, разработан предложение по усовершенствованию силовых вертлюгов, разработан кинематическая схема редуктора силового вертлюга.
- Основные функции:
- Вращение бурильной колонны с плавной регулировкой скорости (включая реверс) и крутящего момента.
- Торможение бурильной колонны с плавным снятием реактивного момента и ее удержание в заданном положении.
- Обеспечение проведения спускоподъемных операций в том числе:
– наращивание/разборка бурильной колонны свечами и одиночными трубами;
– свинчивание/развинчивание бурильных труб, докрепление/раскрепление резьбовых соединений переводников и шаровых кранов;
– подача бурильных труб к стволу/удаление от ствола вертлюга.
- Герметизацию внутритрубного пространства ручным шаровым краном.
- Промывка скважины и одновременное проворачивание бурильной колонны.
- Задание и обеспечение величин крутящего момента и частоты вращения, их
измерение и вывод показаний на дисплей шкафа управления и пульт управления.
- Основные преимущества:
- Сокращение затрат времени на проводку скважины за счет исключения промежуточных наращиваний отдельными бурильными трубами и переходом на наращивание и бурение свечами длиной до 27 метров и более.
- уменьшение вероятности прихватов бурового инструмента;
- расширение/проработка ствола скважины при спуске и подъеме инструмента;
- повышение точности проводки скважин при направленном бурении;
- повышение безопасности буровой бригады;
- снижение вероятности выброса флюида из скважины через бурильную колонну;
Силовой вертлюг отличается от бурового вертлюга наличием собственного привода для вращения колонны бурильных труб (БТ). Вертлюг комплектуется с наземным гидроагрегатом, обеспечивающим вращение вала вертлюга с установленным моментом и плавным изменением частоты и направления вращения.
Оснащаются на отечественных и зарубежных подъемных агрегатах типа А60/80(УПА60/80), АП80, МБУ-125, МБР-160 и других.
- Область применения:
- Исправление дефектов эксплуатационной колонны;
- Ловильные операции;
- Зарезка бокового окна;
- Фрезерование;
- Устройство силовых вертлюгов.
Общий вид силового вертлюга изображен на рис. 1
Рисунок 1. Общий вид силового вертлюга ВБС-80Р1:
1–корпус; 2–подвод; 3–штропа; 4–палец; 5–ствол; 6-переводник; 7,8,9–подшипники; 10,11–верхний и нижний уплотнитель; 12,13– гайки; 14–гидромотор; 15-хомут; 16– штанга реактивная; 17– редуктор;
Вертлюг состоит (рис.1) из корпуса 1 с подводом 2, штропа 3, установленного в проушинах корпуса 1 с возможностью качанияна пальцах4, ствола 5 с переводником 6, установленного на подшипниках 7,8 и 9 с возможностью вращения в корпусе 1, и уплотнений верхнего и нижнего 11. Верхнее уплотнение 10 быстросъемное подсоединяется к подводу 2 и стволу 5 гайками 12 и 13. Гидромоторы 14 закреплены на редукторах 17 через которые передается вращение на ствол 5 через зубчатое зацепление.
Питание гидромоторов 14 осуществляется от наземного гидроагрегата, установленных на полуприцепе либо на санях. ( рис.2).
Рисунок 2. Наземный гидроагрегат.
1–рама; 2– дизельно- насосная станция; 3-силовой вертлюг; 4-пульт управления; 4- барабан для размещения рукавов гидравлических магистралей.
Наземный гидроагрегат представляет (НГА) собой насосный агрегат с дизельным приводом, смонтированный на раме со шторной ветровой защитой. НГА для обеспечения функционирования силового вертлюга.
В состав НГА входит:
- Дизельный насосный агрегат, обеспечивающий регулируемую реверсивную подачу рабочей жидкости.
- Электронасосный агрегат для обеспечения циркуляции прогретого масла перед пуском при низких температурах и охлаждения масла при высоких температурах.
- Бак, разделенный на две части, для рабочей жидкости и дизельного топлива с
системами фильтрации, обогрева, контроля температуры и уровня.
- Гидроаппаратура управляющая, предохранительная, регулирующая и контрольно-измерительная.
- Шкаф электропитания для подвода электроэнергии от внешнего источника и
обеспечения энергопотребителей.
- Шкаф управления.
- Пульт управления бурильщика (длина кабеля пульта бурильщика 20 м).
- Барабан для размещения рукавов гидравлических магистралей.
Насос станции, прокачивающий жидкость к гидромоторам, приводится асинхронным электродвигателем. Управление вращением вертлюга производится частотным преобразователем и регулируемым гидронасосом. Переводник 6 для предотвращения отвинчивания при реверсивном движении прижимается к стволу 5 хомутом 15. Штанга реактивная 16 соединяется с канатной оттяжкой и препятствует вращению вертлюга от реактивного момента.
Канатная оттяжка представляет собой один или два троса 1, предназначенных для восприятия реактивного момента от вертлюга 2 посредством двух симметрично расположенных на вертлюге 2 рычагов 3, на концах которых установлены скобы, через которые пропущены тросы 1 (для оттяжки).
Рисунок 3. Канатная направляющая:
1– трос; 2– силовой вертлюг; 3– реактивная штанга; 4– мачта МБУ.
- Анализ существующих силовых вертлюгов
В нашей стране силовые вертлюги поставляются как российского, так и иностранного производства. Они отличаются методом компоновки и исполнением приводов.
Рассмотрим силовые вертлюги различных конструктивных исполнений и основные технические характеристики выпускаемых моделей.
- Вертлюг гидравлический силовой ВГС-80/ВГС-100 ЗАО «ПромТехИнвест»
|
Технические характеристики |
ВГС-80 |
ВГС-100 |
|
Исполнительный привод |
Гидравлический безредукторный |
|
|
Грузоподъемность, т |
80 |
100 |
|
Максимальный крутящий момент, кН*м (кгс*м): -0-10 об/мин -10-80 об/мин -80-100 об/мин |
10,8 (1100) 8,8(900) 6,9(700) |
9,8 (1000) 8,8(900) 6,9(700) |
|
Диапазон регулирования частоты вращения ствола вертлюга, об/мин |
0 – 100, реверсивный |
|
К недостаткам безредукторного привода можно отнести невысокую долговечность и низкую надежность привода, обусловленную применением высокомоментных гидромоторов в силовом вертлюге. Вертикальные нагрузки (удары и вибрации) в процессе бурения, действующие на детали поршневой группы гидромоторов в плоскости, перпендикулярной осям цилиндров, приводят их к быстрому износу и поломкам. Дополнительным фактором, снижающим надежность привода, является применение рабочих жидкостей в гидроприводе высокомоментных моторов, эксплуатационные свойства которых ухудшаются вследствие загрязнения в процессе работы и износа уплотнений.
- Вертлюг буровой силовой ВБС-80Р1/ ВБС-100Р1 ОАО НПП «РНГИ»
|
Наименование параметров |
ВБС-100Р1 |
ВБС-100Р2 |
|
Исполнительный привод |
гидравлический редукторный |
электродвигатель |
|
Грузоподъёмность, кН (тс) |
100(100) |
|
|
Максимальная динамическая нагрузка на ствол, кН (тс) |
780(78) |
780(78) |
|
Максимальный крутящий момент при 50 об/мин, Н·м (кратковременно) |
11000 |
9200 |
|
Номинальный крутящий момент при 100 об/мин, Н·м |
6900 |
4200 |
|
Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин |
0-150 |
0-130 |
К недостаткам силового вертлюга с гидравлическим редукторным приводом можно отнести:
- большие габаритные размеры редуктора в поперечной плоскости из-за применения двухдвигательного редукторного привода для вращения выходного вала вертлюга ;
- большая стоимость двухдвигательного привода , усложнение конструкции редуктора (двух входных валов с опорами качения, дополнительных корпусных деталей);
К недостаткам силового вертлюга с электродвигателем относится:
- cущественное недоиспользование мощности привода (50-72%) в диапазоне частот 60-100 об/мин; низкий коэффициент использования мощности;
- отсутствие саморегулирования скорости вращения выходного вала в зависимости от нагрузки на рабочем инструменте, и, как следствие, снижение производительности привода;
- отсутствие самоторможения привода и возможность генерации тока при возникновении эффекта «пружины» в случае прихвата бурильной колонны и ее обратном вращении, разрушающего электронную систему управления СВП;
-большие тепловые потери в электродвигателе, в особенности при максимальных моментах, требующие наличия собственной системы охлаждения, что усложняет и удорожает конструкцию СВП;
-необходимость применения многоступенчатых механических редукторов в приводе электродвигателей для снижения частоты вращения выходного вала, что приводит к снижению надежности, усложнению и повышению стоимости конструкции СВП
- Вертлюг силовой СВД-120 (ОАО «СибТрейдСервис»)
|
Наименование показателей |
Значения |
|
Исполнительный привод |
Гидравлический редукторный |
|
Грузоподъемность, кН (тс) |
1200 (120) |
|
Максимальный крутящий момент, кН·м (кгс*м) |
10 (1019,7) |
|
Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин |
0-150 |
- Logan S-85 «Logan Oil Tools» США
|
Наименование показателей |
Значения |
|
Исполнительный привод |
Гидравлический редукторный |
|
Номинальная грузоподъемность , т |
85 |
|
Динамическая грузоподъемность при 100 об/мин, т |
45 |
|
Максимальный крутящий момент Н·м (кгс·м) |
5350 (550) |
|
Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин |
0-155 |
К недостаткам описанных выше моделей силовых вертлюгов с редукторным исполнением можно отнести то, что в их конструкциях приводов вращения вала вертлюга используются эвольвентные цилиндрические зубчатые зацепления. Высокие нагрузки на колеса приводят к их быстрому износу, снижению долговечности, надежности, увеличению уровня вибраций и шума, а также к большим габаритам редукторов.
- Разработка предложений по усовершенствованию силовых вертлюгов
Задачи, на решение которых направлено НИР, заключаются в разработке нового привода вращения силового вертлюга, обладающей улучшенными эксплуатационными показателями.
Технический результат заключается:
– в повышении долговечности и надежности силового вертлюга,
– снижении габаритных размеров редукторов.
Поставленные задачи решены следующим образом, в редукторе с гидравлическим приводом применяется цилиндрическое зубчатое зацепление Новикова.
Применение зацеплении Новикова, позволит:
- обеспечить прием нагрузки, примерно в 2,5 раза превышающей допускаемую для эвольвентной передачи. Благодаря этому, при равной передаваемой мощности передача Новикова имеет практически в 2 раза меньшие габариты.
- применять более высокие передаточные числа, а отлично удерживающаяся между контактирующими элементами смазочная пленка увеличивает срок службы зубьев и повышает КПД передачи (потери на трение в новиковском зацеплении примерно в 2 раза ниже, чем в передачах с эвольвентный профилем зубьев).
Кроме этого передача Новикова обладает и другими преимуществами:
- Благодаря точечному контакту зубьев передача Новикова не столь чувствительна к погрешностям при монтаже и перекосам.
-Шестерни с зацеплением Новикова гораздо лучше прирабатываются, и редуктор при первоначальном пуске быстрее выходит на заданные параметры.
Исходные данные для разработки силового вертлюга на МБУ г/п 125 т.
|
Параметр |
Значения |
|
Грузоподъёмность, т |
120 |
|
Исполнительный привод |
Гидравлический редукторный |
|
Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин |
0-150 |
|
Номинальный крутящий момент Н·м (кгс·м) |
7000 (720) |
|
Рабочее давление, Мпа (атм) |
35 (350) |
|
Диаметр проходного ствола, мм |
56 |
|
Присоединительная резьба по ГОСТ Р 50864 |
З-102 |
Выбираем Гидромотор аксиально-поршневой серии 310 типоразмера 112
|
Параметр |
Значения |
|
Частота вращения вала n, об/мин - минимальная - номинальная - максимальная |
50 1200 3000 |
|
Давление на входе Р, МПа |
20 |
|
Мощность, кВт |
44,8 |
|
Крутящий момент Т, Н·м |
338,7 |
Для обеспечения на проектирумом силовом вертлюге требуемых исходных данных, необходим передаточный механизм с передаточным числом u=20.
В качестве передаточного механизма привода используем двухступенчатый цилиндрический редуктор с зацеплением Новикова.
- Кинематическая схема привода
I – быстроходный вал; II – промежуточный вал; III – тихоходный вал.
1– шестерня Новикова; 2– колесо Новикова; 3– шестерня Новикова; 4– колесо Новикова.
Расчет КПД привода:
η=ηНОВ2•ηПК4•ηмасла
где, ηНОВ - КПД зацепления Новикова ηНОВ = 0,98;
ηПК - коэффициент, учитывающий потери пары подшипников качения ηПК = 0,99;
ηмасла - КПД масла ηмасла=0,99;
Суммарный коэффициент полезного действия для проектируемого редуктора
η=0,982•0,994•0,99=0,91.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Буровой портал [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http//www.drillings.ru, свободный. – Загл. С экрана.
- Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование / Коллектив авторов; под общей редакцией А.М. Гусмана и К.П. Порожского: Научное издание. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 592с. с ил.
- Гасумов Р.А., Гноевых А.Н., Лобкин А.Н., Максименко И.Ю. Справочник монтажника буровых установок. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008. -528 с.
- Дмитриев А.Ю. Основы технологии бурения скважин [Текст]. Учебное пособие. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – 216 с.
- Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть I. Расчет и конструирование оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов. – М.: ФГУП «Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. – 736 с
- Журнал «Время колтюбинга». №56 Июнь 2016, стр.56.
- Калинин А.Г., Левицкий А.З., Никитин Б.А. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ. М., Недра, 1998.
- ПРОМТЕХИНВЕСТ [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://promtehinvest.ru, свободный. – Загл. С экрана.
- Рябчиков, С.Я. Проектирование буровых машин и механизмов
- Эпштейн В. Система верхнего привода для бурения глубоких
нефтегазовых скважин. Нефтегазовая вертикаль 01.04. 06.
- Tesco products, Top Drives and CDS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tescocorp.com, свободный. – Загл. С экрана.
- Top drive solutions National Oilwell Varco [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://nov.com, свободный. – Загл. С экрана.
- Top drive [электронный ресурс]. –режим доступа: http://www.canrigdrillingtechnology.com.- Загл. С экрана.
Скачать: