Силовые органы для создания нагрузок на инструмент при бурении

Введение
Бурение - это основа развития нефтяной промышленности, представляет собой строительное производство, в котором находят отражение общие вопросы направления технического прогресса: замена ручного труда машинным; специализация средств производства, т.е. повышение технологических параметров - скорости, мощности, грузоподъемности и т.д.; внедрение систем и средств автоматизации и др. [1, c. 205].Создание новых буровых машин - сложная задача прежде всего вследствие специфических условий работы этих машин, к которым относят: способы бурения (вращательный, ударный, комбинированный и др.), необходимость разрушения горных пород крайне разнообразных по своим физико-механическим свойствам; высокую абразивность отдельных разрушаемых пород; необходимость бурения не только вертикальных, но и горизонтальных и наклонных скважин; работу в запыленной, влажной и загазованной среде.Поэтому процесс совершенствования современных буровых машин и их составляющих, в том числе силовых органов, считается весьма актуальным в настоящее время.Цель работы сформировать представление о буровых установках и ее силовых органах.Для достижения данной цели нужно решить следующие задачи:Проанализировать научно – методическую литературу по данному вопросу.Изучить основные понятия и функции буровых установок.Выявить особенности применения силовых органов в сфере бурения.Общая характеристика буровых установокБуровая установка - это техническая система, включающая комплекс наземного технологического оборудования, которая, взаимодействуя с буровым инструментом и другими техническими системами, осуществляет технологический процесс строительства скважины [5, c. 478].Буровые установки широко представлены на рынке и отличаются главным образом такими показателями как крутящий момент, тяговое усилие и нагрузка на долото, которую они обеспечивают. Несмотря на разнообразие размеров и видов, предлагаемых отдельными производителями, буровые установки имеют некоторые общие черты. Буровая установка обеспечивает подачу бурового инструмента и вращение бурильной колонны. При бурении вертикального ствола, основное усилие на буровое долото обеспечивается весом бурового забойного двигателя и бурильной колонны. При бурении направленного ствола бурильная колонна редко находится в вертикальном положении, и поэтому буровая установка должна обеспечивать нагрузку на долото. На буровых установках ГНБ усилие подачи на буровой инструмент обеспечивается (через бурильную трубу) при помощи цепной передачи либо при помощи зубчатого зацепления (реечной передачи).Что касается классификации установок ГНБ то в 2000 г. в Европе разработана единая классификация, позволяющая объединить и многие другие существовавшие классификации буровой техники, но мы коснемся лишь буровых установок горизонтально направленного бурения. Установки классифицируют по максимальной тяговой силе и максимальной глубине бурения.Категория мини-буровых установок обычно включает в себя буровые установки, рассчитанные на тягу менее 180 кН, крутящий момент от 5 до 15 кНм и подачу бурового раствора менее 280 л/мин. Мини-буровые установки обычно устанавливаются на прицепе, грузовике или самоходном гусеничном ходу. Самоходные версии – это автономные агрегаты с силовым агрегатом, гидравлическим приводом и насосом для подачи бурового раствора на транспортном средстве. Для данного вида буровых установок характерны вспомогательные устройства, имеющие автономную систему питания и насосную станцию для буровых растворов. Буровые установки, номинальная нагрузка которых составляет менее 90 кН, используются в основном для скважин малого диаметра, например, для прокладки вспомогательных кабелей и труб малого диаметра в перегруженных районах. Но некоторые, из моделей данного класса в этой категории годны к применению для бурения в гравии, булыжнике и других формациях, где трудно поддерживать стабильность буровой скважины. Для небольших буровых установок теперь доступны специальные системы бурения и скважинные инструменты для бурения через породы средней твердости, а также булыжники. Категория миди-буровых установок обычно включает в себя буровые установки, рассчитанные на тягу от 100 до 400 кН, крутящий момент от 15 до 35 кН·м, а также насосную систему бурового раствора от 250 до 800 литров в минуту [7, c. 376]. Большинство буровых установок в этой категории являются автономными. Установки Midi обычно используются для установки изделий диаметром до 400 мм на расстояние до 600 метров. Данная категория буровых установок является основным типом, применяемым для монтажа муниципальных трубопроводных продуктов. Эти устройства компактны и могут быть легко использованы в городских районах, обеспечивая при этом возможность установки напорных и канализационных трубопроводов. Эти агрегаты могут работать с мягкими или твердыми грунтами и различных мягких пород. При использовании забойных грязевых двигателей и специальных расширителей эти агрегаты могут выполнять сверления в скальных породах.Большие (maxi) буровые установки обычно используются в крупных операциях с несколькими смонтированными на трейлере вспомогательными устройствами, отличаются значительными периодами мобилизации. Эти устройства имеют более высокие эксплуатационные расходы и требуют больших рабочих площадей. Это обычно ограничивает их использование на рынке ГНБ для городских нужд. Буровые установки Maxi зачастую используются для трубопроводов большого диаметра (от 400 до 1200 мм) или исключительно длинных буровых установок длиной до 2000 метров. Эта категория буровых установок рассчитана на тяговое усилие более 2000 кН, более 60 кН·м крутящего момента и с насосной системой бурового раствора, превышающей подачу 900 литров в минуту. Выше приведена именно европейская классификация установок ГНБ, так как согласно диаграмме представленной на рисунке 1.3 большая часть оборудования поставляется из заграницы.Парк буровых комплексов в России на 99% состоит из импортной техники. Доля ведущих производителей Vermeer, DitchWitch и Universe составляет более 50% рынка. Китайские бренды не остаются в стороне и уверенно догоняют лидеров. Доля импортных расходных материалов и инструмента достигает 80%. Таким образом, импортозамещение на данной отрасли пока не отразилось. Надо отметить, что объем ввоза оборудования для ГНБ с 2013 г. сократился не в разы, а в десятки раз. Но несмотря на экономические трудности, можно уверенно говорить о том, что направление ГНБ в России состоялось как самостоятельная отрасль строительного комплекса.Силовые органы для создания нагрузок на инструмент Для разрушения породы на забое, перемещения инструмента по мере разрушения породы требуется приложение силовых нагрузок на буровой инструмент. Для этой цели применяются силовые исполнительные органы, среди которых наиболее часто используются следующие механизмы, обеспечивающие реализацию наиболее распространенных способов разрушения породы (таблица 1).left21463000Таблица 1. Способы разрушения пород и их характеристикиВеличина параметров этих механизмов зависит от ф.м.с. горных пород, типа породоразрушающего инструмента.Эти механизмы кроме выполнения основной функции применяются для выполнения следующих технологических операций:- спуск бурильных обсадных труб, в т.ч. c вращением;- расхаживание инструмента при бурении;- ликвидация аварий;- отбор проб [6, c. 634].Конструкция силовых исполнительных органов зависит от способа и условий бурения, выполняемых технологических операций, параметров бурового инструмента. В данной работе приводится описание наиболее распространенных вращателей и механизмов подачи.В процессе сооружения и эксплуатации скважин вращатель может выполнять следующие функции технологического процесса:1. Вращение инструмента при выполнении процессов:- бурение горных пород и цементных мостов;- проработка ствола при спуске-подъеме с вращением;- фрезерование обсадных колонн и БИ при ликвидации аварий;- спуск обсадных труб с вращением;- свинчивание-развинчивание всех типов инструмента;- расхаживание инструмента с вращением.2. Фиксирование инструмента от проворачивания при бурении с погружным вращателем.3.Передача осевой нагрузки на инструмент при бурении с нагрузкой.4.Восприятие осевой нагрузки от веса труб при бурении с разгрузкой и при расхаживании инструмента.5.Перемещение инструмента вдоль оси скважины при бурении, расхаживании, СПО.6.Удержание инструмента на устье скважины на весу.7.Подача очистного агента во вращающуюся колонну труб.9.Установка определенного угла при забуривании скважины.10.Укладка бурового инструмента при выполнении спускоподъемных операций [2. c, 209].В ряде случаев конструкция вращателя должна предусматривать возможность освобождения устья скважины при проведении работ и исследований (обсадка, спуск керноприемника, каротажные работы, спускоподъемные операции), а также учитывать требования по проведению специальных работ в скважине (тампонаж, цементация, опробование и т.д.). В случае опасности выброса жидкости из скважины в конструкции вращателя должны быть предусмотрены элементы, препятствующие обратному ходу жидкости во внутреннем канале бурильных труб.Вращатель, как правило, работает со следующими видами бурового инструмента: бурильные трубы (БТ); штанги для ударно-вращательного бурения (ШУ), обсадные трубы (ОТ); насосно-компрессорные трубы (НКТ); насосные штанги для ПШГН (ШН); шнеки (Ш); специальные забойные компоновки.В настоящее время все вращатели подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные (проходные и непроходные) /1/. Эта классификация не дает достаточно полного представления о разнообразии конструкций вращателей и поэтому не позволяет обоснованно подойти к выбору их конструкции. Ниже предлагается классификация вращателей по 3 признакам: функциям, конструкции, параметрам.Функциональная классификацияВсе вращатели по этому признаку можно разделить на две группы:1. Cпециализированные;2. Многофункциональные (универсальные) [9, c. 452].Специализированные вращатели используются в тех случаях, когда объем каждой операции технологического процесса достаточно велик и диапазоны изменения параметров процессов на каждой операции существенно различаются. В этом случае для выполнения каждой операции применяется отдельный механизм или группа механизмов. Например:- вращение бурильных труб - вращатель для бурильных труб (ВБТ);- вращение обсадных труб - вращатель обсадных труб (ВОТ);-свинчивание-развинчивание труб - механизм свинчивания-развинчивания (МСР);- передача осевой нагрузки и перемещение бурового инструмента – механизм подачи (МП);- подача очистного агента в бурильные трубы - сальник (С);- подача очистного агента и перемещение инструмента - вертлюг (СВ).Многофункциональный вращатель, как правило, может выполнять более 3 функций. Например, подвижный вращатель (верхний привод) может выполнять все 10 функций.Следующая классификация конструктивная, которая основывается на конструкции элементов вращателя, обеспечивающих выполнение основных операций технологического процесса, т.е. конструкция устройств для выполнения отдельных функций технологического процесса и их взаимная увязка. Например, конструкция устройства для передачи вращения на буровой инструмент, устройства, обеспечивающего перемещение инструмента вдоль оси скважины и т.д.В таблице 2 приведены некоторые варианты конструктивного выполнения органов для выполнения основных технологических функций.Таблица 2. Варианты конструктивного исполнения органов (узлов) вращателейcenter32385Обозначения, принятые в классификации: Д – двигатель (ДВС); Р – редуктор; ЭД – электродвигатель; ГД – гидродвигатель; ПД – пневмодвигатель; К – компрессор; ИО – устройство, передающее нагрузки на инструмент (патрон, ниппель, элеватор).В качестве примера использования морфологической таблицы на рис. 1 приведена схема синтеза роторного вращателя.Параметрическая классификация. Как известно, в основу параметрической классификации закладывается главный параметр машины. Для вращателей такими параметрами могут быть: грузоподъемность (нагрузка на стол ротора); проходное отверстие в столе ротора; мощность привода; диапазон частот вращения; крутящий момент; проходное отверстие в шпинделе; угол наклона оси скважины при забуривании и т.д. [10, c.269].Из вышесказанного следует, что перечень параметров и их величина зависят от конструкции вращателя, задач, способа и условий бурения.
Заключение
В результате проведенного анализа научно – методической литературы было установлено, что под буровой установкой подразумевается техническая система, включающая комплекс наземного технологического оборудования, которая, взаимодействуя с буровым инструментом и другими техническими системами, осуществляет технологический процесс строительства скважины.Существует несколько видов буровых установок, которые делятся в зависимости от тяговой силы и максимальной глубины бурения.Для разрушения породы на забое, перемещения инструмента по мере разрушения породы требуется приложение силовых нагрузок на буровой инструмент. Именно для этой цели используются силовые исполнительные органы, наиболее часто используемые механизмы описаны подробнее выше.В заключении можно отметить, что в настоящее время в мире развитых технологий будет производится совершенствоваться буровых технологий для решения новых технических задач геологоразведочного производства.
Список использованной литературы:
Басарыгин, М.Ю. Строительство и эксплуатация морских нефтяных и газовых скважин. В 4. т. Т. 4 кн. 3 / М.Ю. Басарыгин. - М.: Краснодар: Просвещение Юг, 2017. - 342 c.Вадецкий, Ю. В. Бурение нефтяных и газовых скважин; Академия - М., 2016. - 352 c.Владимир, Г. Х. Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин. Учебное пособие для СПО; Юрайт - М., 2016. - 464 c.Ежов, И.В. Бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин. Учебное пособие; Феникс - М., 2017. - 484 c.Журавлев, Г.И. Бурение и геофизические исследования скважин. Учебное пособие; Лань - М., 2018. - 707 c.Зварыгин, В.И. Буровые станки и бурение скважин. Учебное пособие. Гриф МО РФ; ИНФРА-М - М., 2018. - 997 c.Нескоромных, В.В. Бурение скважин: Учебное пособие. Гриф МО РФ; ИНФРА-М - М., 2018. - 511 c.Середа, Н. Г., Соловьев Е. М. Бурение нефтяных и газовых скважин; Альянс - М., 2016. - 456 c.Трофимов, В.Т. Инженерная геология России. Том 1. Грунты России / В.Т. Трофимов. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2011. - 672 c.Храменков, В. Г. Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин. Учебное пособие; Юрайт - М., 2016. - 416 c.