техническая часть

1 Техническая часть

1.1 Анализ существующих схем и конструкций

1.1.1 Назначение системы верхнего привода

Система верхнего привода (СВП) в последнее время становится наиболее популярным способом бурения нефтяных и газовых скважин. Этой системой оборудуются как импортные, так и отечественные буровые установки. Такие установки используются, например, на Каспийском шельфе в Атырауской области.

Из зарубежных компаний, выпускающих верхний привод, наиболее известными являются американская «Varco» и канадская «Canrig». Компания «Varco» выпускает несколько систем верхнего привода TDS (Top Drive Sistem), позволяющих выполнять операции как с бурильными, так и с обсадными трубами.

СВП являются принципиально новым типом механизмов буровых установок, обеспечивающих выполнение целого ряда технологических операций. В принципе верхний привод представляет собой подвижной вращатель с сальником-вертлюгом, оснащенный комплексом средств механизации СПО- силовой вертлюг (показан на схеме 1.1).

СВП обеспечивает выполнение следующих технологических операций: вращение бурильной колонны при бурении, проработке и

расширении ствола скважины; свинчивание, докрепление бурильных труб; проведение спуско-подъемных операций с бурильными трубами, в

том числе наращивание бурильной колонны свечами и однотрубками; проведение операций по спуску обсадных колонн; проворачивание бурильной колонны при бурении забойным

двигателями; промывку скважины и проворачивание бурильной колонны при СПО;

расхаживание бурильных колонн и промывку скважины при ликвидации аварий и осложнений. При бурении скважин силовой вертлюг выполняет функции крюка, вертлюга, ротора, механических ключей. При его пользовании не нужна бурильная ведущая труба и шурф под нее, а также намного облегчается труд помощника бурильщика, поскольку элеватор механически подается в необходимую позицию. Главная особенность СВП - возможность монтировать его в любое время проводки скважины, практически не прерывая бурения. Основной недостаток существующих конструкций силовых вертлюгов - высокая стоимость.

1

1 – электродвигатель (гидродвигатель); 2- зубчатое колесо; 3- перемещения, цепных колёс; 4- цепь; 5- размещенние в корпусе ствола; 6- вертлюг; 7,8 - осевая и радиальная опора,9- шланг; 10- отвода,11- зубчатого колеса во вращения ствола,12- замкового соединения,13- подвески для автоматического элеватора.

Схема 1.1 Верхний силовой привод

2

1.1.2 Состав и комплектация системы верхнего привода

Система верхнего силового привода состоит из указанных ниже узлов и блоков: блок корпуса двигателя и вертлюга, система охлаждения двигателя, каретка и направляющий рельс, трубный манипулятор, система гидравлического управления, система противовеса, буровой двигатель переменного тока.

Подвижная часть СВП состоит из вертлюга-редуктора, который на штропах подвешен на траверсе талевого блока.

На крышке вертлюга-редуктора установлены два гидромотора(1). Смотреть схема 1.1. Выходной вал гидромотора при помощи шлицов соединен с быстроходным валом редуктора. На одном из гидромоторов установлен гиротормоз для торможения бурильной колонны. К корпусу вертлюга - редуктора крепится рама, через которую передается крутящий момент на направляюще устройство, с него - на вышку.

Между ниппелем и стволом вертлюга навернут ручной шаровой кран для неоперативного перекрытия внутреннего отверстия ствола вертлюга. Для оперативного перекрытия отверстия ствола вертлюга перед отводом установлен внутренний превентор (двойной шаровой кран), который одновременно служит для удержания остатков промывочной жидкости после отвинчивания бурильной колонны.

Вертлюжная головка служит для передачи рабочей жидкости с не вращающейся части системы верхнего привода на вращающуюся часть и позволяет не отсоединять гидравлические линии, когда трубный манипулятор вращается с бурильной колонной при бурении, при проработке скважины или позиционировании механизма отклонения штропов элеватора. В нижней части верхнего силового привода находится трубный манипулятор (10) ( рисунок 1.1.) который может разворачивать элеватор в нужную сторону: на мостки, на шурф для наращивания или в любую другую сторону при необходимости. В состав трубного манипулятора входит система отклонения штропов предназначена для отвода и подвода элеватора к центру скважины. Система отклонения штропов представляет собой штропы, подвешенные на боковых рогах траверсы. К штропам крепятся гидроцилиндры отклонения штропов.

В состав системы отклонения штроп входит трубный зажим который служит для захвата и удержания от вращения верхней муфты трубы во время свинчивания (развинчивания) с ней ствола вертлюга. См. на рисунке 1.1.

3

1-система охлаждение двигателя; 2- система противовеса; 3- гидравлический ручной тормоз; 4- гусак (S- образная трубка);5- буровой двигатель переменного тока; 6- гидравлическая система; 7- направляющая балка и каретка; 8- трансмисия / корпус двигателя; 9- вращающий адаптор штроп; 10- трубный малипулятор.

Рисунок 1.1 . Узлы и блоки верхнего силового привода

4

1.1.3 Узлы и блоки системы верхнего силового привода

Блок корпуса двигателя и вертлюга

Блок состоит из следующих подсистем: трансмиссия и корпус вертлюга, встроенный узел вертлюга, буровой двигатель и тормоза

Стандартный уплотнительный узел грязевой трубы расположен между S-образной трубой (4) и главным валом, и допускает вращение бурильной колонны. Крышка редуктора является опорой для узла и прикрепляется к редуктору, таким образом обеспечивая боковую опору. Смотреть на рисунке 1.1.

В конструкции двигателя предусмотрен вал с двумя концами, на нижнем конце установлена приводная ступица, а на верхнем конце тормозной диск. Два дисковых тормоза с суппортом гидравлического действия установлены в верхней части двигателя, расположенные вокруг крышек тормоза. Дисковые тормозы с суппортом также участвуют в позиционировании свечи при горизонтальном бурении. Управление тормозными дисками осуществляется дистанционно с пульта бурильщика. Трансмиссия и корпус вертлюга

Узел состоит из следующих составных элементов: крышка редуктора,

основной корпус, шестерня двигателя, блок-шестерня, главное зубчатое колесо редуктора, основной вал, система смазки.

Система охлаждения двигателя Система охлаждения двигателя (рисунок 1.2) – это система центробежного вентилятора с местным воздухозаборным устройством, состоящая из электродвигателя вентилятора охлаждения (2), установленного сверху бурового двигателя переменного тока. Воздух в систему поступает через воздухозаборное устройство (6), являющееся одновременно кожухом тормоза, затем он проходит по жесткому трубопроводу и поступает в отверстие, расположенное в верхней части двигателя. После прохождения через внутреннее пространство открытого бурового двигателя переменного тока, воздух выходит через отверстие, расположенное в днище двигателя.

5

1-желоб(лоток); 2- вентелятор; 3- центрофуга; 4- дисковой тормоз; 5- входное отверстие; 6- решетка; 7- воздушный поток.

Рисунок 1.2. Система охлаждения двигателя

Каретка и направляющий рельс

Система верхнего силового привода перемещается вертикально по направляющему рельсу на каретке, крепящейся к редуктору. Направляющий рельс подвешивается от кронблока и заканчивается на расстоянии семь футов над уровнем буровой площадки. В этом месте он прикрепляется к нижнему

6

поясу мачты или к распорной балке гашения крутящего момента, установленной поперек нижней секции мачты или вышки.

Направляющий рельс принимает на себя через каретку крутящий момент, производимый трансмиссией при проворачивании бурильной колонны. Он поставляется отдельными секциями и подвешивается за проушину к кронблоку. Секции направляющего рельса скрепляются болтами, что облегчает монтаж. Секции направляющего рельса собираются посекционно на буровой площадке, при одновременном поднятии направляющего рельса к месту крепления за кронблок с помощью лебедки.

Трубный манипулятор

Трубный манипулятор играет большую роль в конструкции ВСП который в свою роль состоит из следующих основных узлов: вращающийся адаптер штроп, предохранительный зажим ,механизм двустороннего наклона штроп, дистанционный привод встроенного противовыбросового клапана, штропы элеватора и элеватор бурильной трубы

Вращающийся адаптер штроп подвешен к стволу вертлюга. Гидравлическое давление, создаваемое в кольцевом пространстве между стволом и вращающимся адаптером штроп, воспринимает вес трубного манипулятора вместе со штропами и элеватором бурильных труб в процессе бурения. Во время СПО, в то время как элеватор бурильных труб воспринимает вес трубного манипулятора со штропами, вращающийся адаптер штроп опускается вниз до седла муфты для подвешивания колонны и, в свою очередь, передает нагрузку на главный вал.

Предохранительный зажим крутящего момента расположен под нижним плечиком предохранительного переводника. Он состоит из двух челюстей с сухарями и цилиндра зажима, служащих для захвата муфты бурильного замка при ее подсоединении к предохранительному переходнику. Крепление корпуса предохранительного зажима к раме гашения крутящего момента произведено таким образом, что он может перемещаться вверх или вниз, обеспечивая тем самым захват резьбовых соединений при свинчивании и развинчивании бурильного инструмента. При обжатии предохранительным зажимным цилиндром бурильного замка крутящему моменту оказывается противодействие рамой гашения крутящего момента во время свинчивания и развинчивания резьбовых соединений.

Узел цилиндра системы двустороннего наклона штроп (рисисунк 1.3) состоит из двух гидроцилиндров и кривошипа наклона, крепящихся пальцами к вращающемуся адаптеру штроп. Верхний конец кривошипного рычага соединен с вилками тяги двух гидроцилиндров. Нижний конец кривошипного рычага соединен со штропами элеватора двумя рычагами, прикрепленными к штропам скобами и зажимами.

7

Рисунок 1.3 Двусторонний наклон штроп

Гидравлическая система управления

Гидравлическая система управления (рисунке 1.4) полностью автономна, она подает мощность на всю систему гидравлики. Ее применение исключает необходимости использования дополнительного сервоконтура. Система состоит из элементов, контролирующих работу указанных ниже узлов: система противовеса, тормоза электродвигателя переменного тока, система смазки зубчатых передач , коренных подшипников , вращающаяся головка, встроенный противовыбросовый клапан дистанционного управления, цилиндр предохранительного зажима буринструмента, механизм наклона штроп.

Электродвигатель переменного тока мощностью от 5- 10 л.с. и скоростью вращения вала от 800- 1 200 об/мин соединен непосредственно с гидравлическим насосом. Гидравлический манифольд устанавливается на основном корпусе и включает все электромагнитные клапаны и клапаны управления давлением и расходом жидкости.

Помимо этого предусматривается манифольд, установленный на корпусе выдвижного штифта, и предназначенный для управления гидромотором вращающегося адаптера штроп.

8

Гидропневматические аккумуляторы управляют работой встроенного противовыбросового клапана, клапанами управления давлением и системой противовеса.

Рисунок 1.4. Гидравлическая система

9

Система противовеса

Система противовеса обеспечивает сохранность резьбы буровых замков, снимая с буровой свечи значительную часть веса при свинчивании и развинчивании соединений верхним приводом. Она выполняет функцию пружины компенсатора крюка. Система состоит из двух гидравлических цилиндров, соединенных между крышкой трансмиссии и серьгой, гид-роаккумулятора и гидравлического манифольда. Система является неотъемлемой составляющей верхнего силового привода и поэтому для нее не требуются внешняя оснастка для присоединения к крюку.

Цилиндры присоединены к гидравлическому аккумулятору. Зарядка аккумулятора производится гидравлической жидкостью. Поддержание заряда на установленном уровне давления обеспечивается за счет контура системы противовеса в гидравлическом манифольде управления.

Двигатель переменного тока и система управления

В системе верхнего силового привода используется один двигатель переменного тока мощностью 350 л.с. (рисунке 1.5). Он расположен сверху корпуса редуктора, что минимально сокращает расстояние от центра скважины до тыльной стороны направляющего рельса. Компания Varco выбрала электродвигатель переменного тока для работы с TDS-10S потому что он дает следующие преимущества:

• Надежность в эксплуатации • Низкие эксплуатационные расходы • Не загрязняет окружающую среду • Широкий эксплуатационный диапазон • Может быть остановлен под напряжением при максимальном

крутящем моменте • Перегрузочная способность 180% в течение до одной минуты • Бесщеточный • Взрывобезопасный Один асинхронный электродвигатель переменного тока подает

максимальную мощность 550 ВА переменного тока, 3 фазы. В TDS-10S включена система воздушного охлаждения. Электродвигатель запитан от ШИМ инвертора, который подает регулируемое напряжение при регулируемой частоте для регулирования оборотов и крутящего момента. Номинальная мощность двигателя 350 л.с. при максимальном постоянном выходном крутящем моменте 1 550 фут-фунт. Максимальный постоянный крутящий момент: от 0 до 1 200 об/мин, при постоянной мощности 350 л.с.: от 1,200 об/мин до максимально допустимых оборотов двигателя 2 400 об/мин.

10

1-гидравлический мотор; 2- упорный подшипник; 3- корпус; 4- вал; 5- опорная плита; 6- втулка( ступица); 7- верхнее отверстие для залива масла; 8- конец обмотки; 9- ротор; 10- статор; 11- нижнее отверстие для залива масла; 12- предохранительный подшипник.

Рисунок 5 буровой двигатель переменного тока

11

1.2 Зарубежные производители систем верхнего привода

Производители верхнего силового привода достаточно хорошо известны по всему миру. Из наиболее крупных можно назвать транснациональную корпорацию Aker Kvaerner, американскую компанию Canrig Drilling Technology, американскую корпорацию National Oilwell Varco (появилась в результате слияния компаний National Oilwell и Varco Drilling Equipment), итальянскую компанию Drillmec (раньше в составе корпорации Trevi Group производством ВСП занималась другая итальянская компания – Soilmec) и др.

Номенклатура ВСП, производимых этими компаниями, широка и используется на буровых казахстанских компаний "ТШО (Тенгис Шеврон Оперейшинг)", "КПО (Карачаганак Петролиум Оперейшинг)", "КазМунайГаз", и российских коипаний "Газпром", ЛУКОЙЛ, "Сибнефть", "БК-Евразия" и других.

Американская компания TESCO в начале 1990-х первая начала производить и сдавать в аренду системы верхнего привода для наземных буровых установок, хотя в России системы производства TESCO стали распространяться несколькими годами позже конкурирующих.

1.2.1 Модели Верхнего Привода TESCO

Корпорация TESCO – мировой лидер по разработке базирующихся на инновационных технологиях решений для высокотехнологичных отраслей энергетической промышленности.

Предназначен для использования на небольших А-образных мачтах и мачтах с открытой передней гранью. Верхний привод EMI обеспечивает характеристики и функции трубного манипулятора, необходимые для бурения и капремонта скважин.

Верхний привод EMI работает на одном синхронном двигателе на постоянных магнитах и с жидкостным охлаждением (КаманРА44). Этот двигатель весит всего 180 кг, развивает мощность 450 л.с. и обеспечивает новый уровень надежности, долговечности и удельной мощности. Система EMI работает с использованием автономной системы электропривода, системы охлаждения. Система привода не нарушает электроснабжение буровой установки и сконструирована для продолжительной эксплуатации в жестких условия.

Таблица 1.2.1Техническая характеристика TESCO

Характеристика Значение

Производитель TESCO

Наименование EMI 400

12

Тип ВСП

Грузоподъемность, не менее, короткая тонна 250

Грузоподъемность, не менее, т 227

Привод Электрический

Максимальный крутящий момент, Нм (кг*м) 28470 (2903)

Максимальная скорость (частота) вращения выходного вала, рад/сек. (об./мин.)

20,9 (200)

Выходная мощность привода, кВт (л.с.) 298 (400)

Масса изделия общая, не более, кг 6204

Габаритные размеры основных составных частей, не более, мм: подвесная часть (без направляющей балки)

6426х1130

1.4.2 Модели Верхнего Привода Canrig Drilling Technology

Компания Canrig Drilling Technology является одним из лидирующих мировых поставщиков систем бурения верхнего привода для добычи нефти и газа. Компания производит, продает и обслуживает полный диапазон портативных и стационарных систем верхнего привода для большинства буровых вышек, расположенных на суше и на море.

Сегодня оборудование компании Canrig работает на всех основных мировых нефтегазовых месторождениях. Компания постоянно превосходит ожидания своих клиентов, обеспечивая их безупречной продукцией и незамедлительным сервисом, что выдвинуло Canrig на передовой фронт индустрии систем бурения верхнего привода.

Верхний силовой привод с гидравлическим приводом и грузоподъёмностью не менее 159 (таблица 1.2).

Таблица 1.2 Техническая характеристика


Производитель Canrig Drilling Technology

Наименование 4017H

Тип ВСП


Привод Гидравлический

1.2.3 Модели Верхнего Привода National Oilwell Varco

13

Американская компания National Oilwell Varco – мировой лидер в разработке, производстве и продаже оборудования и комплектующих для применения в сфере бурения скважин и производства нефти и газа, технического обеспечения и надзора, а также услуги по организации цепи поставок для крупных организаций нефтегазовой индустрии.

Система верхнего привода компании National Oilwell Varco работает на одном асенхронном двигателе мошностью 350 л.с. с принудительным охлаждении, с номинальной скорости вращение 1200 об/мин и максимальной скорости вращение 2400 об/мин, при максимальной крутящимся моменте 2790 фут- фунт.

Таблица 1.2.3техническая характеристика


Производитель National Oilwell Varco

Наименование IDS-350P

Тип ВСП



Привод Электрический



20,9 (200)


Исполнение для условий эксплуатации при: температура окружающего воздуха, °С

от -20 до +45

1.2.4 Система верхнего привода: ЗАО "Уралмаш - Буровое оборудование"

Таблица 1.2.4 Технические характеристики Уралмаш

Параметры СВП-320Допускаемая нагрузка, тс 320Передаточное отношение редуктора 6,35Крутящий момент для вращения бурильной колонны,

кНмДлительнодействующийКратковременный

4162

Максимальная частота вращения при крутящем моменте 41 кНм, об/мин

157

Максимальная частота вращения, об/мин 236

14

Диапазон регулирования частоты вращения, % 0…100Крутящий момент раскрепления, кНм 80Максимальное давление нагнетания прокачиваемой

жидкости (бурового раствора), МПа40

Условный проход ствола, мм 75Рабочее давление шаровых кранов (внутренних

провенторов), Мпа70

Диаметры бурильных труб, мм 89, 102, 114, 127, 140, 146Тип электродвигателя регулируемый, постоянного

тока, с ручным управлением, с дистанционным управлением, во взрывозащищенном исполнении

Номинальная частота вращения электродвигателя, об/мин

1000

Максимальная частота вращения электродвигателя, об/мин

1500

Мощность электродвигателя, кВт 750

1.2.5 Модели верхнего привода «ПромТехИнвест»

Привод силовой верхний с наземным гидроагрегатом ПВГ-1600 разработан ЗАО "ПромТехИнвест" совместно с ОАО "Электромеханика", предназначен для мобильных и стационарных буровых установок.

ПВГ-1600 состоит из верхнего силового привода ВСП-1600, наземного гидроагрегата НГА-1600, системы электрогидроуправления ЭГУ-1600, комплекта гидравлических рукавов и трубопроводов, комплекта одиночного ЗИП.

Таблица 1.2.5 Технические характеристики ПромТехИнвест


Производитель ПромТехИнвест

Наименование ПВГ-1600

Тип ВСП



Привод Гидравлический



10,5 (100)


15

Масса изделия общая, не более, кг 12500

Масса подвесной части (без направляющей балки), кг 2500

Масса гидроагрегата, кг 6550

Масса направляющей балки с узлами крепления к мачте, кг 2800

Габаритные размеры основных составных частей, не более, мм: подвесная часть (без направляющей балки)

925х1205х4590

Габаритные размеры основных составных частей, не более, мм: направляющая балка

320х215х27130

Габаритные размеры основных составных частей, не более, мм: наземный гидроагрегат

4572х2286х2286

Перемещение вертлюга в поперечном направлении, не менее, мм 1160

Отклонение элеватора от вертикального положения штропов, не менее, мм

1420

Исполнение для условий эксплуатации при: температура окружающего воздуха, °С

от -40 до +40

Исполнение для условий эксплуатации при: воздействие атмосферных осадков

прямое

Исполнение для условий эксплуатации при: неразрушающая температура хранения, до, °С

-60

Гарантийный срок эксплуатации, лет 1

Приведенные выше модели производителей верхнего силового привода отличаются между собой своей характеристикой. Наиболее подходящим для моего проекта является модель системы верхнего привода компании National Oilwell Varco. Данная придложенная ими модель верхнего силового привода обладает .

16

Documents

техническая часть