3.6 Разработка кинематической схемы буровой установки

В первоначальной стадии проектирования одновременно с компоновкой оборудования следует разработать несколько вариантов кинематических схем, проанализировать их и выбрать вариант, обеспечивающий наибольшую эффективность. При этом необходимо проанализировать кинематические схемы всех исполнительных и промежуточных звеньев.

Движение исполнительных органов буровой установки

Режущие элементы породоразрушающего инструмента (долота) при вращательном бурении должны перемещаться по винтовой линии, причем вращательное движение должно быть согласовано с поступательным. Поршни буровых насосов должны совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение с переменной или постоянной скоростью. Для смены породоразрушающего инструмента бурильная колонна разбирается на свечи, которые извлекаются из скважины и спускаются в нее при поступательном движении. В соответствии с этим установка должна иметь механизмы, посредством которых осуществляются эти основные или главные рабочие движения.

Скорость главных движений основных исполнительных механизмов буровой установки определяется:

для породоразрушающего инструмента - долота - допустимой частотой вращения и буримостью пород;

для поршней бурового насоса - допустимой средней скоростью перемещения поршня насоса в цилиндре;

для крюка подъемной системы - допустимыми скоростями движения бурильной колонны в скважине и мощностью подъемного механизма.

Наряду с основными движениями осуществляются вспомогательные: свинчивание и развинчивание замковых соединений колонны, закрепление ее в роторе, установка извлеченных из скважины бурильных труб и подтаскивание и спуск их обратно в скважину. Для рационального использования буровой установки и определения ее технических показателей необходимо знать скорости движения основных элементов.

Кинематические связи между основными исполнительными механизмами: приводными двигателями, крюком, столом ротора и поршнями насосов - важнейший элемент при разработке эскизного проекта буровой установки. Для наивыгоднейшего использования мощности и обеспечения эффективности бурения необходимо установить скорости движения, пределы их регулирования и величины путей перемещения при наиболее простых кинематической схеме и конструкции проектируемой установки.

Сначала намечают кинематическую структуру буровой установки, т. е. совокупность устойчивых кинематических связей между источниками движения и исполнительными механизмами, обеспечивающих цельность и сохранение основных кинематических свойств при различных внутренних и внешних изменениях.

Кинематические связи могут быть внутренними и внешними. Внутренняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов между собой, определяющая характер их движения (вращательное или поступательное). Скорость движения исполнительного механизма внутренняя кинематическая связь не определяет. Внешняя кинематическая связь - это кинематическая связь исполнительных механизмов с источником движения. Она определяет скорость и направление движения исполнительного механизма. Внешняя кинематическая цепь соединяется с внутренней через любое промежуточное звено внутренней кинематической цепи, называемое ведомым звеном цепи привода.

Для того чтобы разработать кинематику буровой установки, сначала разрабатывают структурную, а затем конструктивную кинематические схемы.

Кинематическая структурная схема - кинематическая модель буровой установки, в которой устанавливается взаимное расположение звеньев, органов настройки и их связей. Она не определяет, какими средствами должно быть реализовано то или иное движение и его скорость.

Кинематическая конструктивная схема является кинематической моделью буровой установки, в которой указывается, какими средствами реализуется движение того или иного звена с соблюдением размеров и форм, при изменении которых изменяются положения, скорости и ускорения отдельных элементов системы. На кинематической схеме указывается все, что необходимо для изучения движения.

Кинематическая конструктивная схема буровой установки показана на рис. 3.11, а. На рис. 3.11, б приведена структурная схема буровой установки с приводными двигателями, сблокированными между собой и образующими групповой силовой привод основных исполнительных механизмов - ротора, насосов и лебедки.

На структурную схему наносят условные изображения ее отдельных звеньев и элементов в виде ромбов, квадратов, окружностей или других фигур, а их кинематические связи изображают пунктирными линиями. На структурной схеме (рис. 3.11, б) постоянные звенья кинематической системы изображены ромбами (с постоянным передаточным отношением u_n), подвижные звенья, называемые органами настройки (с переменным передаточным отношением u_v), - также ромбами. Приведенная на схеме буровая установка имеет один источник движения, состоящий из трех двигателей 11, сблокированных общей трансмиссией 15, и три кинематические группы: ротор 2, лебедку 4 с талевой системой 3, на которой через крюк подвешена бурильная колонна с долотом 1. Эти группы составляют общую кинематическую группу.

Талевая система также может служить органом настройки u_vт - звеном, изменяющим вращательное движение каната при намотке на барабан на поступательное движение с крюком. Ротор и лебедка имеют свои постоянные звенья u_пр 6 и u_пл 5 и общий орган настройки u_{v пр} 7, которым производится кинематическая настройка на заданную скорость и направление движения исполнительных механизмов (ротора и лебедки). Орган настройки 7 (коробка перемены передач) приводится во вращение от источника движения 11 общей кинематической связью, включающей: орган настройки u_{v тт} - турботрансформатор 10 и постоянное звено u_n.пр - цепные передачи 8 и 9 с постоянными отношениями.

Привод насосов 14 представляет собой раздельную кинематическую группу, которая приводится от общего источника движения 11 и органа настройки u_{v тт} 10 через постоянные звенья u_n.п - цепные трансмиссии 12 и 13. В буровых установках с индивидуальным приводом исполнительных механизмов (ротор, лебедка, насосы) имеются только обособленные кинематические группы и общая их структура и кинематическая схема значительно проще, чем в установках с групповым приводом.

Кинематическая настройка буровых установок осуществляется периодически в зависимости от изменения режимных условий бурения. Обычно в буровых установках применяют два-три органа настройки: коробку передач привода u_{v лр} ротора и лебедки, талевую систему u_vт и турботрансформатор u_{v тт} привода насосов и лебедки. Кинематическая настройка установки в основном сводится к определению параметров органа настройки, при помощи которых удается достигнуть нужных скоростей перемещения конечных звеньев цепи. Эти перемещения называют расчетными перемещениями и определяют их в зависимости от различных факторов — массы поднимаемой бурильной колонны, требуемой частоты ее вращения, скорости подачи долота и др.

После этого составляют формулу настройки каждою органа

где u_п - передаточные отношения соответственно постоянных звеньев кинематической цепи и органа настройки; п₁ в п₂ - частоты вращения источника движения и исполнительного звена.

После установления законов основных движений, определения частот вращений и скоростей движения конечных звеньев кинематических цепей приступают к разработке кинематической схемы буровой установки.

Общие требования к кинематической схеме буровой установки

Разработка кинематической схемы - одна из начальных стадий проектирования буровой установки.

Разрабатывают несколько вариантов кинематических схем. Разработанные варианты должны быть всесторонне рассмотрены и оценены их преимущества и недостатки, так как некоторые из вариантов могут привести к конструктивным решениям, неравноценным в эксплуатационном и технологическом отношениях, хотя сами кинематические схемы будут обеспечивать необходимые скорости и перемещения конечных звеньев. На выбор кинематической схемы влияют технологические возможности завода-изготовителя, унификация и использование имеющихся готовых механизмов. На основе анализа всех данных создают кинематическую схему, наиболее полно удовлетворяющую всем требованиям.

В каждой буровой установке должны быть три основные кинематические цепи: подъемного механизма, привода ротора и привода насосов. В совокупности эти цепи образуют кинематическую схему всей установки. Одни цепи в зависимости от характера работ и назначения установки должны допускать временную (привод ротора от вала лебедки) или постоянную связь между собой, другие (насосы и лебедка) могут постоянно оставаться независимыми одна от другой. При оценке различных вариантов схем по признаку их сложности следует учитывать степень механизации и автоматизации процессов.

Кинематическая схема буровой установки должна удовлетворять общим требованиям: 1) обеспечению необходимого диапазона регулирования и изменения скоростей движения ротора, подъемного комплекса и насосов; 2) обеспечению регулирования скоростей подъема и спуска колонны бурильных труб при наименьших затратах времени.

Степень сложности кинематической схемы оценивается сопоставлением, причем в качестве критериев могут быть выбраны следующие: 1) число элементов, входящих в кинематическую схему установки (валы, клиноременные, цепные и зубчатые передачи, подшипники, муфты сцепления, блоки талевой системы), число слоев намотки каната на барабан лебедки; число трубопроводов, распределительных органов пневмосистемы управления, число органов управления; 2) число сравнительно сложных в изготовлении или сборке элементов (редукторы, коробки передач, фрикционные муфты); 3) расположение валов; предпочтительно такое расположение, при котором их оси параллельны и находятся по возможности в одной плоскости или с небольшими углами наклона передач; следует избегать применения вертикального расположения цепных и клиноременных передач; допускается также взаимно перпендикулярное расположение валов с коническими зубчатыми передачами.

Для облегчения физического труда рабочих и сокращения времени проходки скважин необходимо рассматривать техническую и экономическую целесообразность степени механизации. Надежность работы отдельных агрегатов и элементов буровой установки следует оценивать с учетом не только возможности отказов, но и наличия дублирующих цепей, обеспечивающих бесперебойную работу.