Компоновочные схемы спуско-подъемного комплекса буровых установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Л.А. Гаврилова, 2003

УДК 622.276

Л.А. Гаврилова

КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ СПУСКО-ПОДЪЕМНОГО КОМПЛЕКСА БУРОВЫХ УСТАНОВОК

В

зависимости от выполняемых функций спуско-подъемный комплекс (СПК) характеризуется различным составом и степенью сложности и представляет совокупность агрегатов, механизмов и органов, служащих для спуска, подъема и удержания на весу колонн бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб,

обеспечения технологически

необходимых манипуляций с ними при проводке, ремонте и исследовании скважин.

Многообразие номенклатуры технических средств СПК, типоразмеров параметров и характеристик машин, оборудования, агрегатов, сооружений, инструмента и средств механизации осложняет процесс выбора структуры СПК для конкретных условий эксплуатации. Состав СПК определяется разнообразием операций,

составляющих процессы СПО и бурения. Для выполнения же одних и тех же операций разные заводы и фирмы выпускают совершенно разные по схеме и по конструкции машины, оборудование и инструмент. Это часто объясняется

производственными и

конструкторскими традициями,

возможностями, уровнем развития, масштабами производства. Причем, унификация отечественных средств механизации затруднена, а стандарты отечественного и зарубежного оборудования различны.

Органы, входящие в СПК в различной степени определяют его тип. Для выделения основных типов СПК можно пренебречь частью органов. В качестве основных следует выделить:

• механизм подъема;

• вращатель;

• механизм свинчивания-

развинчивания;

• механизм захвата труб;

• трубоприемник;

• механизм укладки труб.

Следует отметить, что сочетание

механизмов СПК друг с другом, используемых в настоящее время в работающих установках, зависит от назначения установки и условий работы.

Подвижный вращатель может применяться как с лебедочным подъемом, так и с механизмом подачи. Толкатель используется только при лебедочном подъеме.

Проходной ключ для свинчивания-развинчивания входит в состав СПК в станках с лебедочным подъемником. С кассетирующим устройством сочетается механизм подачи.

Шпиндельный вращатель является элементом СПК в станках

колонкового бурения, а для бурения глубоких скважин используется ротор и подвижный вращатель. Клиновые захваты колонны труб сочетаемы с ротором, но не приемлемы с подвижным и шпиндельным вращателем. Труборазвороты РТ-

1200М, предназначенные для труб замкового соединения, не могут свинчивать трубы ниппельного соединения и соединения «труба в трубу». Автоматизированные

электроприводные штанговые ключи типа КД2 эффективны на больших глубинах и не выгодны для текущего ремонта. Цепные ключи типа КЦН для свинчивания-развинчивания обсадных труб применяются только на установках малой и средней грузоподъемности, а не на тяжелых установках. Ключ АКБ-3М свинчивает свечи при СПО с трубами

всей типов замковых соединений при эксплуатационном бурении и капитальном ремонте, но не может быть использован на

геологоразведочном бурении в

станках шпиндельного типа.

Кольцевой ручной элеватор не

применяется на буровых без верхового рабочего, а

полуавтоматические элеваторы для

труб муфто-замкового соединения - в комплекте с ротором и при работе с трубами ниппельного соединения. Они сочетаются со шпиндельным вращателем.

Для учета возможного сочетания механизмов СПК нами проведена систематизация на основе выполняемых ими функций и

составлена классификация средств

СПК [1]. Применение предложенной классификации позволяет

осуществлять выбор структуры СПК в соответствии с технологическим процессом ремонта и бурения скважины. Система наглядных изображений элементов СПК дает возможность синтезировать схемы СПК в зависимости от условий эксплуатации.

В результате исследований, проводимых на кафедре горных машин и комплексов УГГГА, были выделены две группы СПК по виду механизма подъема, как наиболее важного элемента всего комплекса спуско-подъемных операций:

• СПК со специальным

механизмом подъема (лебедка, талевая система, грузоподъемные приспособления);

• СПК с механизмом,

совмещающим функцию подачи и подъема.

При систематизации применяемых в различных установках для бурения и ремонта скважин сочетания механизмов, определены следующие характерные схемы СПК:

1) Лебедочный подъем:

• роторный вращатель,

вертикальная систематизированная укладка труб манипулятором, механизм свинчивания с разрезным корпусом, захват для подъема подхватывающего действия;

• шпиндельный вращатель, вертикальная несистематизированная

укладка труб толкателем, проходной механизм свинчивания, захват элеватором подхватывающего

действия;

• подвижный вращатель,

горизонтальная

несистематизированная укладка поворотным захватом (вращателем), свинчивание вращателем, зажим принудительного действия;

• роторный вращатель,

горизонтальная

несистематизированная укладка труб;

• роторный вращатель,

вертикальная несистематизированная укладка труб.

2) Подъем механизмом подачи:

• подвижный вращатель,

вертикальная систематизированная укладка труб в кассету, торцевой

труборазворот, захват резьбового типа;

• подвижный вращатель,

горизонтальная

несистематизированная укладка труб поворотным захватом, свинчивание вращателем, захват элеватором подхватывающего действия;

• подвижный вращатель

проходной, вертикальная

систематизированная укладка труб манипулятором, труборазворот с разрезным корпусом, зажим принудительного действия;

• подвижный вращатель

торцевой, систематизированная

укладка труб манипулятором, зажим принудительного действия;

• подвижный вращатель,

горизонтальная систематизированная укладка труб манипулятором,

торцевой труборазворот, резьбовой захват.

Анализ существующих

конструкций буровых установок показывает, что классическая схема подъемного механизма (лебедка, канатно-полиспастная система,

вышка) является наиболее распространенной. Дальнейшее

снижение металлоемкости и габаритов, повышение мобильности оборудования, степени механизации и автоматизации буровых работ, сокращение обслуживающего

персонала при соответствующем обеспечении надежности

оборудования может существенно повысить ее технико-экономические показатели. Использование в этой схеме исполнительных механизмов на основе объемного гидропривода обеспечит повышение степени механизации спуско-подъемных операций, тем самым, позволит иметь оборудование с новыми, более высокими эксплуатационными

возможностями и снизит

себестоимость буровых и ремонтных работ.

Если условия эксплуатации

установок для бурения и ремонта

скважин требуют компактности,

хорошей транспортабельности и

монтажеспособности, то таким условиям наиболее полно отвечают установки с подвижным вращателем. Использование подвижного

вращателя дает следующие

преимущества:

• возможность совмещения

функций (бурение, свинчивание,

развинчивание, захват труб), что позволяет отказаться от специальных механизмов для выполнения этих операций;- сокращение числа

вспомогательных операций при выполнении СПО и бурения;

• увеличение степени

механизации вспомогательных

операций;

• упрощение автоматизации, по сравнению с другими конструктивными схемами;

• возможность совмещения операций во времени, уменьшающей затраты времени на СПО;

• возможность передачи вращения колонне труб при необходимости и без дополнительных подготовительных работ;

• отсутствие необходимости демонтажа ротора для герметизации устья скважины;

упрощение операций по подаче промывочной жидкости в скважину.

Перемещение подвижного

вращателя по мачте установки может осуществляться различными

способами. Для этой цели могут быть использованы следующие

конструктивные схемы СПК:

1. Г идроцилиндры прямого подъема, непосредственно связанные с кареткой вращателя (рис. 1).

2. Гидроцилиндры с

талевой системой и удвоителем хода (рис. 2).

3. Лебедка с талевой

системой, стрела крана и направляющие (рис. 3).

4. Лебедка с талевой

системой, мачта с направляющими

(рис. 4).

Каждая из перечисленных схем имеет свои преимущества и

недостатки. Как правило,

гидроцилиндры в качестве подъемников используются в установках небольшой

грузоподъемности, хотя существуют опытные образцы (Уралмаш 125) с грузоподъемностью 1250 кН. Но опыт ее эксплуатации показал

ненадежность работы из-за значительных утечек рабочей

жидкости при работе

гидроцилиндров.

Лебедочный подъем подвижного вращателя проще при реализации данной схемы, но вместе с тем обладает недостатком, присущим любой установке с талевой системой, т.е. низким КПД.

Тем не менее, применение гидроприводной лебедки, типа мотор-барабан, талевой системы с двумя

подвижными концами делает эту схему более выгодной.

Расширение области применения объемных гидродвигателей и гидроцилиндров в узлах и механизмах техники для бурения может существенно снизить их

массогабаритные характеристики, повысить мобильность оборудования и степень механизации работ

Система укладки труб существенно влияет на степень

механизации вспомогательных работ и на время работы СПК с одной тубой (цикл СПО). Для

систематизированной укладки труб можно выделить два варианта выполнения этой функции: укладка труб манипулятором с угловым

перемещением трубы в

горизонтальную плоскость; укладка труб поворотным подвижным

вращателем (угловое перемещение в горизонтальную плоскость).

Для первого варианта необходим достаточно дорогой и сложный

механизм - манипулятор, требующий соответствующего обслуживания. Использование манипулятора с горизонтальной укладкой труб увеличивает затраты на изготовление укрытия для СПК. Еще одним

недостатком является сложность обеспечения точности фиксации на оси скважины.

Вариант использования

подвижного вращателя позволяет исключить эти недостатки. В этом случае не требуется применения сложных дополнительных

механизмов (за исключением устройства для подвода и отвода труб к механизму захвата вращателя). Вращатель при укладке не совершает холостого хода. При движении

вращателя вниз происходит отклонение вращателя и

одновременная укладка трубы. А при спуске колонны совершаются операции подъема трубы и перевода ее в вертикальное положение. Центрирование трубы решается

автоматически, т.к. она захватывается гидропатроном вращателя,

перемещающимся по оси захвата трубы и скважины.

В отечественных установках для ремонта скважин укладка труб осуществляется элеватором с применением ручного труда буровых рабочих. В основном трубы

укладываются горизонтально на

мостки, реже - в вертикальный стеллаж. Систематизированная

автоматизированная укладка с помощью манипулятора и вращателя выполняется на зарубежных

установках с применением системы верхнего привода. Это дает значительный выигрыш во времени и сокращение трудоемких ручных операций.

Для обоснования параметров СПК установок для бурения или ремонта скважин разработана методика проектирования СПК и составлен

алгоритм выбора его элементов. Инструментом построения и синтеза структурных схем СПК служит предложенная нами функционально-конструк-тивная классификация технических средств СПК [1] и вращателей [2], как основного элемента СПК с функцией «бурение». Система наглядных изображений элементов позволяет реализовать возможность изображения

рассматриваемых и создаваемых схем СПК как в статике, так и в динамике.

------------------------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаврилова Л.А., Порожский К.П., Эпштейн В.Е.

Функциональная систематизация спуско-подъемных комплексов буровых установок. /Совершенствование техники и техн. бурения скважин на тв. ПИ. Вып.19: Межвуз. науч. темат. сб.- Екатеринбург.

УГГГА, 1996.-156 с.

2. Гаврилова Л.А., Порожский К.П. Классификация вращателей буровых установок/ Совершенствование техники и техн. бурения скважин на тв. ПИ. Вып.: Межвуз.науч. темат.сб. -Екатеринбург. УГГГА,2001.- с.