1 АНАЛИЗ  СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ МОБИЛЬНЫХ  УСТАНОВОК 

    1.1 Классификация существующих конструкций мобильных установок 
 

     На  данный момент времени существует множество  компаний, выпускающих самоходные агрегаты для бурения разведочных скважин. Наша страна не исключение, и важно отметить, что серийно выпускаемые отечественные установки по своим техническим возможностям не уступают ведущим зарубежным аналогам.

     Они различаются по номинальной грузоподъемности, и их линейный ряд представлен  агрегатами, способными воспринимать нагрузку на крюке от 100 до 1250 кН.

     Глубина бурения некоторых образцов достигает 5000 м, а высота мачт варьируется от нескольких метров до вполне тяжелых конструкций, имеющих полезную высоту 25-30 м.

     От  типа мачты и ее длины зависит выбор базы агрегата (колесная формула от 6 6 до 12 4), длины в транспортном положении (от 10 до 20 с лишним метров).

     Мачта может быть как моноблочной (неразборной), так и секционной или телескопической, что позволяет уменьшить длину базы агрегата.

     Система раздвижения мачты гидравлическая,  автоматизирована. Для надежности фиксации в вертикальном положении все установки снабжаются грузовыми оттяжками, отдельно решается применение внутренних, внешних или совместных оттяжек конструкции.

     Одним из основных критериев классификации  является тип и привод ротора. Выбор типа и привода зависит от грузоподъемности  установки, ширины ряда производимых агрегатом типов бурения, когда необходимо изменить диапазон частот вращения. Существуют установки  как с  гидравлическим приводом ротора, так и механическим.

     Агрегаты  для бурения скважин отличаются исполнением лебедочного узла.  
 
 
 
 

             МОНГ.021101.016 ПЗ

УГТУ  МОН-1-06

приводом  ротора, так и механическим.

     Агрегаты  для бурения скважин отличаются исполнением лебедочного узла. Наряду с установками высокой грузоподъёмности, оснащёнными традиционными для зарубежной практики механическими лебёдками разработаны и первые в мире установки с гидравлическими лебёдками.

       Число же скоростей подъема  крюка при использовании механической лебедки  обычно шесть – пять вперед и одна назад, при гидравлической – бесступенчатое.

     Как было уже упомянуто, на рынке техники  представлен широкий ряд мобильных установок.  

     1.2 Функциональное назначение и конструктивное исполнение мобильных установок 

     Мобильная установка  предназначена  для бурения вращательным способом структурно-поисковых, инженерно-геологических скважин глубиной  от десятков до нескольких тысяч метров с очисткой забоя скважины путем промывки, продувки или транспортировки разрушенной породы на поверхность шнеками, а также для бурения ударно-канатным способом при комплектации установки рабочей лебедкой и откидывающимся от устья вращателем.

     Создание  мобильных самоходных агрегатов  было вызвано рядом причин:

     – истощаются запасы эксплуатируемых месторождений нефти и газа, в связи с чем производится разведка новых залежей;

     – имеется большое количество пробуренных  ранее скважин с низким дебитом;

     – изношенность парка буровых установок  по стране;

     – относительно низкие затраты средств и времени на вышкомонтаж и транспортировку, что позволяет окупить быстро окупить машину.

     Все механизмы, входящие в установку  разведочного бурения, смонтированы на платформе буровой установки, установленной  на шасси  
 
 
 

     Процесс работы установки состоит из транспортных, подготовительно-заключительных, спускоподъемных  и технологических операций. Важным фактором интенсификации добычи нефти и газа является снижение времени перечисленных операций, что напрямую связано с увеличением нефтеотдачи.

     Мобильная установка, представленная на рис.1 имеет  большую грузоподъемность и представляет собой сложную конструкцию, состоящую из трех основных блоков: лебедочно - мачтового, насосного и блока рабочей площадки с мостками и стеллажами для труб. Привод установки осуществляется от палубного двигателя. Установка оборудуется силовой лебедкой для спускоподъёмных операций. Лебедка – однобарабанная, с фрикционной двухдисковой муфтой, цепным приводом, одноленточным тормозом с ретинаксовыми колодками и вспомогательной катушкой. Ротор – с неконсольным расположением главных опор одного типоразмера; привод – от карданной передачи.

     Для механизации вспомогательных работ буровая установка оборудована электролебедкой, которая может быть использована при монтаже буровой установки для подтаскивания и подъема грузов, а также во время бурения для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений труб, выброса труб на мостки или подтаскивания их к ротору, отвода ротора от устья скважины при спуске обсадных труб большого диаметра и других работ. Для подъема мачты на высоту, позволяющую откинуть кабину автомобиля при неработающем двигателе, буровой блок оборудован маслонасосом с ручным приводом, питающим гидродомкрат аварийного подъема мачты. Гидропривод лебедки и подвижного вращателя осуществляется от гидронасосов, установленных на раздаточной коробке. Два буровых насоса приводятся от трансмиссии установки, привод генератора – от коробки отбора мощности. Вышка– ферменной конструкции с открытой передней гранью, моноблочная с двумя аутригерами 21(гидродомкратами). Вышка оборудована системами установки её из транспортного положения в рабочее и обратно.  Монтаж и демонтаж модулей производится с помощью встроенной гидравлики, что в свою очередь тоже сокращает сроки  установки на рабочей площадке и позволяет обходиться без крановой техники.  

     Вышка оборудована системами установки  её из транспортного положения в рабочее и обратно.  Монтаж и демонтаж модулей производится с помощью встроенной гидравлики, что в свою очередь тоже сокращает сроки установки на рабочей площадке и позволяет обходиться без крановой техники.

     Подъём  и опускание вышки осуществляется гидроцилиндрами. Вышка также оборудована кронблоком и талевыми блоком. Талевый блок служит для спускоподъёмных операций. Вышка оборудована также гидрораскрепителями труб. Каретка вращателя передвигается по направляющим мачты с помощью гидроцилиндров и цепного полиспаста.

     Применение  гидроприводного вращателя имеющего широкий диапазон скоростей и моментов позволяет производить бурение различного назначения (от шнекового до колонкового) с различным инструментом. Вращатель оснащен механизмом для откидывания в сторону от оси скважины управлением с пульта бурильщика.

     Топливная система шасси имеет три бака, обеспечивающих безостановочную работу двигателя в среднем в течение суток. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1 – Установка геологоразведочного бурения УРППБ 320/500 
 

1 –  вышка моноблочная; 2 – блок талевый; 3 – кронблок; 4 – оттяжки грузовые; 5 – полиспаст цепной; 6 – гидроцилиндр  подачи; 7 – гидроцилиндр подъема; 8 – лебедка вспомогательная; 9 – лебедка основная; 10 – пульт бурильщика; 11 – опора задняя; 12 – вращатель;  13 – гидроподхват для труб и гидрораскрепитель; 14 – генератор; 15 – насос буровой НБ-50;  16 – гидробак и гидросистема; 17 – бак топливный; 18 – раздаточная коробка и трансмиссия; 19 – блок силовой; 20 – опора передняя; 21 – аутригеры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Установка УРБ-ЗАЗ (рис. 2) предназначена для бурения структурно — поисковых скважин до 700 м и имеет грузоподъемность почти в четыре раза меньше  чем у предыдущей установки.

     Установка состоит из бурового блока, смонтированного  на шасси автомобиля типа МАЗ, комплектующих узлов и устройств, а также дополнительного оборудования.

     На  раме бурового блока размещены приводной  автономный двигатель, складывающаяся мачта с направляющими под  вертлюг полатями для вертикальной установки труб и опорными винтовыми домкратами для разгрузки шасси автомобиля во время бурения, раздаточный редуктор, коробка передач, лебедка, ротор, буровой насос, генератор, гидравлические домкраты подъема мачты, гидравлические и пневматические устройства и электросистемы.

     Привод  генератора, бурового насоса, лебедки  и ротора – от приводного двигателя через карданные передачи, раздаточный редуктор и коробку передач. Ротор и лебедка имеют три прямых и один обратный диапазоны скоростей вращения, изменение которых осуществляется вводом в зацепление соответствующей пары шестерен коробки передач бурового блока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 2 – Установка геологоразведочного бурения УРБ-ЗАЗ 

1 –  талевая система; 2 – вертлюг; 3 –  мачта складывающая; 4 – ротор  буровой; 5 – рабочая площадка; 6 – лебедка основная; 7 –коробка перемены передач; 8 – гидродомкрат подъема мачты; 9 – редуктор раздаточный; 10 – насос буровой; 11 – бак топливный. 
 
 
 
 
 
 
 

     1.3  Основные  параметры и технические характеристики  мобильной установки 

     К основным параметрам установки для  бурения относится:

     – допускаемая нагрузка на крюк;

     – условная глубина бурения;

     – расчётная мощность привода ротора;

     – скорость подъема крюка с нагрузкой и без;

     – высота основания.

     Нагрузка  на крюке задана при проектировании и в соответствии с ней находится область применения агрегата по допустимой длине подвешенного оборудования, определяемого ее силой тяжести, по которой и определяется допускаемая глубина бурения. В нашем случае  – эксплуатационного с конечным диаметром 140 мм - 1200 м, структурно-геологоразведочного с конечным диаметром 76 мм  - 2000 м. Расчетный вес самой тяжелой обсадной колонны или нагрузка, возможная при ликвидации прихвата бурильной колонны, не должны превышать допускаемой нагрузки на крюке. Нагрузка на крюк строго регламентирована и выбрана в соответствии с ГОСТ 26-16-1513–77: 100,200,320,500,800,1250 кН. Весом талевого блока можно пренебречь, так как при геологоразведочном бурении он незначителен. Так как при выполнении спускоподъемных операций нагрузка на крюке изменяется и, следовательно, меняется натяжение в набегающей ветви каната, то при постоянной мощности на валу лебедки для более рационального использования мощности привода приходится изменять скорость подъема для обеспечения равномерной укладки каната на барабан. Наибольшие скорости подъема крюка составляют 1,15 м/с, а наименьшие – 0,2 м/с.

     По  мере уменьшения нагрузки на крюке  скорость навивки каната на барабан увеличивают.

     Мощность  привода ротора определена  по заданному  крутящему моменту и частоте  вращения стола ротора или по параметрам режима бурения. При каждом режиме бурения  определены соответствующие крутящие моменты, затрачивае 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Иногда  ротор приводится собственным двигателем.

     Анализ  потребной мощности выполняется  с учетом возможности одновременной работы нескольких исполнительных механизмов, например насоса и спускоподъемной системы.

     Вышка установки моноблочная, четырехгранная, ферменной конструкции с открытой передней гранью. Достаточная высота, порядка 19 м, позволяет с необходимым запасом разместить талевый блок, кронблок и манипулировать буровыми свечами. Вертикальность массивного сооружения поддерживается гидроцилиндрами и гидродомкратами. 

     1.4  Особенности эксплуатации, конструктивные  недостатки и причины отказа 

     Важным  фактором интенсификации добычи нефти  и газа является снижение времени транспортных, подготовительно-заключительных, спускоподъемных и технологических операций, что напрямую связано с увеличением нефтеотдачи.

     С этой целью отечественные компании вынуждены приобретать зарубежные самоходные установки грузоподъёмностью от 50 до 140 тонн и выше.

     Существенным  недостатком импортных самоходных установок такой грузоподъёмности являются ограниченная проходимость, требующая применения дополнительного тягача, а также высокие цены. При эксплуатации подобных машин в России требуются довольно значительные затраты на импортные запасные части, масла, а также время на их доставку и обслуживание, что, в конечном счёте, приводит к простоям ремонтных установок.

     Отсюда  очевидна необходимость создания и  оснащения нефтегазодобывающих предприятий отечественными самоходными установками для освоения скважин большой глубины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Для конкретного типа установки задается климатический район, в котором будет использован агрегат. В этой части задания определяются  материалы, которые можно применить в конструкции, необходимость утепления или средств разогрева оборудования и создания условий работы для персонала, обслуживающего агрегат. Эксплуатация машины допускается в районах с умеренным климатом в интервале температур окружающего воздуха от минус 40 С до плюс 40 С. Для работы в условиях Крайнего Севера двигатели всех установок комплектуются электроподогревом масла и охлаждающей жидкости. Топливная система шасси имеет три бака, обеспечивающих безостановочную работу двигателя в среднем в течение суток.

     При получении задания на агрегаты необходимо обратить внимание на условия их транспортировки (состояние транспортных путей, расстояния между скважинами). Эта часть задания влияет на выбор транспортной базы агрегата. Как правило, с целью обеспечения минимальной себестоимости и удобства  размещения на одной базе всего оборудования вместе с уложенной мачтой, база под монтаж установки разведочного бурения УРБ-320/500 выбрана из серийно выпускаемых полуприцепов МАЗ-991900-01 или трехосного грузовика KpA3-63221-044.

     Показатели  надежности, степень унификации оборудования иногда задаются, а иногда принимаются самим конструктором. Для этого выполняются анализ наиболее высоких по техническому уровню аналогов агрегата и отдельных  

     Другие  исходные данные в основном выбирает или определяет в результате расчета  конструктор. К ним относят диапазон и число скоростей подъема  крюка, высоту мачты, мощность и тип  привода исполнительных механизмов.

     В процессе бурения геологоразведочных скважин возникают различные  отказы и аварии, связанные со свойствами пород в районе разведочных работ, прихвата снаряда или выхода из строя одного из элементов сложного по строению агрегата. Устранение отказов и борьба с ними требуют больших затрат времени, материалов и средств, поэтому большое практическое значение имеет предупреждение осложнений,  правильная эксплуатация и, первоначально, продуманные решения при конструировании.

     Отказы  бурового оборудования можно подразделить на: систематические отказы элементов, долговечность которых во много раз меньше, чем долговечность самого объекта, например отказ поршней, клапанов или сальников штока бурового насоса, отказы вследствие износа канатов, тормозных колодок лебедок, сальников вертлюгов, требующих периодической замены или ремонта; устраняются обычно на буровой силами бригады; полный отказ — нарушение работоспособного состояния объекта в целом, требующее длительной остановки бурения и смены агрегата или сложного его ремонта; частичный отказ — отказ, после возникновения которого объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью, например отказ одного из ДВС в групповом силовом приводе буровой установки и проведение спуско-подъема при меньших скоростях или отказ одного из насосов и ведение бурения при пониженных режимах; внезапный отказ — характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта; постепенный отказ — характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров, например снижение мощности и крутящего момента ДВС вследствие износа; конструктивный отказ — вследствие нарушения установленных правил или норм конструирования; производственный отказ — в результате нарушения установленного  процесса изготовления или ремонта объекта; эксплуатационный

     Буровые крюки имеют очень узкое технологическое  назначение, рассчитаны под определенные штропы и имеют размеры зевов  и изогнутой части крюка, соответствующие присоединяемому элементу.

     До  поступления в ремонт лебедка  должна наработать в зависимости  от назначения 3000—5000 ч машинного времени.

     Поэтому в рассматриваемых комплексах машин  материал по проектированию основных объектов подобран так, чтобы обучающийся смог освоить основы расчета и конструирования различных, наиболее специфичных и характерных машин технологического назначения, какими являются элементы буровой установки.

     Коэффициент готовности — это вероятность  того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается.

     Различное функциональное назначение отдельных  органов и механизмов буровой мобильной установки обусловливает основные и вспомогательные требования, предъявляемые к ним. 

     1.5 Цель и задачи проектирования 

     Главной задачей при выборе мобильных  установок является  значительная экономия на вышкомонтажных работах  и транспортировке, эффективная  работоспособность, повышенная надежность, при одновременном обеспечении оптимальной  жесткости конструкции.

     Поэтому главными критериями при определении  подходящего агрегата будут конструктивное исполнение мачты, высокие показатели основных параметров комплекса и совершенство собственной  транспортной базы, представляющей собой сборочную единицу со всем необходимым оборудованием. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     В приведенной ниже таблице рассмотрены  несколько типов мобильных установок для геологоразведочного бурения  близкой по значению грузоподъемности:

     Таблица 1 –  технические параметры мобильных  агрегатов для бурения геологоразведочных скважин

Окончание таблицы 1

     Таким образом, в состав типоразмерного ряда входят три самоходные установки грузоподъемностью 50 и 60 тонн. Установка УРБПП 320/500 в отличие от других, смонтированных на платформе самих  автомобилей,  включает полуприцеп и поэтому более длинную базу, на которой полностью умещается неразборная ферма мачты более прочной конструкции, позволяющая выставить установку на скважине с минимальным объемом подготовительных работ. Мачты агрегатов А- 50М1 и УПА-60М монтируются аналогично при помощи  гидроподъемных цилиндров, но требуют дополнительного наращивания выдвижением телескопическим способом.

     Если  сравнить скорости подъема буровых  крюков, то они фактически одинаковы у всех представленных типов установок, но лебедка первого образца имеет  планетарно-цилиндрический редуктор, преимуществами которых перед цепной передачей являются компактные размеры, высокий передаваемый крутящий момент, низкий шум при работе.

     Касательно  насосного блока, установленные  два насоса – горизонтальные, двухцилиндровые, двустороннего действия, приводные со встроенным зубчатым редуктором. Однако наличие шестеренного насоса в установке УПА-60М заставляет задуматься о правильном выборе, ведь положительными свойствами шестеренных насосов являются простота их изготовления и эксплуатации, малые габарит и масса, сравнительно высокий КПД, легкость реверсирования, достаточная надежность и долговечность, но  отрицательными свойствами являются: наличие полости с защемляемым объемом рабочей жидкости, значительный  шум  и  пульсация потока, что ведет к росту потерь.  Такие потери резко   возрастают  для    высоковязких     жидкостей,     перекачивание     которых 
 
 
 
 

     Рассмотрим  двигатели шасси мобильных установок. Они комплектуются современным воздухоочистителем, высокоэффективной системой охлаждения и снабжены системой отвода выхлопа отработанных газов в безопасную зону.

     Благодаря балансирной подвеске, шинам низкого  давления и приводу всех мостов шасси  обладает высокой проходимостью  на местности. Проходимость также обеспечивается наличием в трансмиссии гидротрансформатора, устанавливаемого на двигатель. Установка с полуприцепом имеет увеличенную  несущую способности шасси, понятно, что это не дает преимуществ в компактности, но преимущества полуприцепов очевидны – при той же грузоподъемности они более экономичны, а при наличии в автопарке компании седельного тягача гораздо проще и дешевле купить самосвальный полуприцеп, чем крупнотоннажный грузовик-самосвал.

     Таким образом, сравнительный анализ  нескольких характерных  представителей  мобильных установок одинаковой грузоподъемности  показал не явное, но значимое преимущество мобильной установки УРБПП 320/500 с точки зрения эксплуатационных и конструкторских решений.  

     1.6 Эскизная проработка узла конструкции 

     Устройство  для спуско-подъемных операций служит для удержания на весу бурильной колонны, подачи бурового инструмента и других вспомогательных работ.

     С целью уменьшения времени на спуско-подъемные  операции выбрано изобретение лебедки  с двумя электродвигателями.

     Это достигается за счёт последовательного  расположения электродвигателей относительно редуктора на лебедке – рамной конструкции. На раме жестко укреплены редуктор, два электродвигателя и барабан.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Для подъема и спуска нормального  груза включают основной электродвигатель при неработающем вспомогательном  двигателе. Холостой крюк и легкие грузы  поднимают (опускают) с большой скоростью при работе вспомогательного двигателя на больших оборотах. Посадочная скорость для любых грузов получается при совместной работе основного двигателя в режиме динамического торможения и вспомогательного двигателя на малой скорости (150 об/мин).

       Для подъема грузов с малой скоростью включают оба двигателя. 
 
 
 

     Рисунок 3 – лебедка двухдвигательная 

     1,2 – электродвигатели; 3 – муфта зубчатая; 4 – муфта втулочно-пальцевая; 5 – тормоз колодочный; 6 – вал быстроходный; 7 – колесо зубчатое; 8 – вал тихоходный; 9 – барабан, 10 – подшипник сферический

     Целью данного исследования является поиск  новых конструктивных решений в области  усовершенствования  конструкции  мобильных установок, чтобы  повысить  их  надежность, безопасность, снизить энергозатраты.

     Технический уровень и тенденции развития самоходных агрегатов для геологоразведочного бурения приведены в таблице 2. 

Таблица 2 – Технический  уровень  тенденции развития  установок 

ВВЕДЕНИЕ 

     За  последние годы созданы новые  образцы буровых машин и комплексов, оказавших заметное влияние на производительность буровых работ и ускорение темпов роста добычи нефти и газа. Успехи бурения неразрывно связаны с новейшими научными разработками в области расчёта и проектирования буровых машин, повышения их механического уровня и надёжности. Для закрепления достигнутых успехов необходимо постоянно расширять объёмы разведочного и эксплуатационного бурения путём дальнейшего повышения производительности буровых машин, механизации тяжёлого ручного труда, оптимизации и автоматизации буровых работ. В связи с этим предстоят сложные работы по перевооружению буровых предприятий высокопроизводительными автоматизированными установками. Именно такой путь позволит обеспечить необходимый прирост объёма буровых работ.