Обоснование бурового роботизированного комплекса

Обоснование бурового роботизированного комплекса

Техническое предложение
Разработка бурового роботизированного комплекса.
Большую часть времени при цикле вспомогательных операций бурения составляют спуско-подъёмные операции, выполняемые системой механизмов при участии рабочих и производственных мастеров. Традиционная схема выполнения спуско – подъёмных операций состоит из подготовительных операций, выполняемых на мостках и стелажах, при помощи манипуляторов, подготавливая «свечи» и переводя в вертикальное положение по наклонной направляющей до полатей. Помощник бурильщика, при помощи захватов переводит очередную секцию свинченных труб «свечу» под отклонитель СВП, производится свинчивание вращателя и свечи. Вращатель поднимается вместе со «свечёй» и устанавливается на устье скважины и свинчивается с основной буровой трубой. При подъёме всего бурового става происходит освобождение клиньев, удаление и продолжение работ по бурению и опусканию труб. При подъёме, дополнительно в цикл операций входит использование бурового ключа и отклонителя, обеспечивающие увод буровой колонны за пределы устья скважины.

Сравнительные размеры предлагаемого роботизированного бурового комплекса и серийной буровой вышки глубокого бурения
Используемый цикл выполнения работ по бурению сложно механизировать, автоматический ключ, устройство установки клиньев и другие системы механизации сложно вписываются в комплексный технологический процесс переустановки труб и инструмента, поэтому при формировании бурового комплекса с автоматическим или роботизированным выполнением операций необходимо сформировать технологический процесс, а за тем проектировать весь необходимый перечень механизмов.
В основе предлагаемой технологии бурения является отказ от тросового механизма, который позволяет уменьшить высоту буровой установки в 2- 2,5 раза, увеличить к.п.д, до 30% значительно уменьшить вес буровой установки, как минимум в 3 раза. За основу необходимо принять колонну с вертикальным цепным приводом, по которой перемещается каретка с вращателем.
Первым и наиболее сложным механизмом является опорная буровая колонна с приводной цепью, установленной вокруг колонны. Обеспечить тяговое усилие в 500


тонн, — сложная и особенно важная задача, но в настоящее время технически осуществимая. Так в основе тянущих звеньев необходимо применить композитные материалы, которые позволяют обеспечить увеличение разрывного усилия конструкции в 3-4 раза, прочность на сжатие, аналогично увеличивается в 2 раза. Сама цепь многорядная, а зацепление выполнено по системе ЦВЗ с шаговым регулированием и зацеплением на последний зуб, (диссертация на соискание степени к.т.н. А.К.Данилова), что обеспечивает плавный ход и техническое удлинение цепи во время износа на 4% без уменьшения к.п.д. и динамики зацепления, простота и высокая ремонтопригодность позволяет восстанавливать шага зацепления.


Особенно важным является механизм привода. Все известные механизмы с крутящим моментом в 5000кНм, практически выглядят как гигантские сооружения и не вписываются в систему привода. Для оптимизации силовых приводов, необходимо разбить систему на 4 дублирующих привода, установленных соосно по два привода на верхнем приводном валу и на нижнем. Приводной вал выполнен единой конструкцией, на котором установлена уравновешенная эксцентриковая передача с передаточным числом от 60 до 70, что позволяет отказаться от передачи полного крутящего момента через вал. Внутреннее расположение передачи в барабане, передаёт крутящий момент непосредственно барабану, а барабан установлен на опорах, обеспечивающих восприятие осевого усилия в 500 тонн. В связи с этим входной вал может иметь размер 100-120 мм в диаметре.
Если разбить по ступеням, то на барабане будет передаточное число 50÷70, в результате на приводной ступени должно быть передаточное число 20÷30, а это стабилизатор мощности, который бесступенчато может изменять скорость от 0 до 30 в автоматическом режиме. Приводную мощность необходимо уточнить в зависимости о скорости перемещения каретки, так при максимальных показателях и мощности одного двигателя 150 кВт, а в сумме 600кВт, скорость может изменяться от 0,1 м/мин до 400 м/мин при к.п.д передачи 0,9. Очень важным фактором является дублирование двигателей. Четыре двигателя могут работать как все вместе, так и половинной загрузкой при отключении 2 двигателе, что влияет на потреблении энергии, при этом редукторы – стабилизаторы мощности становятся прямой передачей и не препятствуют свободному вращению отключенного двигателя, что не требует установки дополнительных муфт переключения. Дополнительно, сама эксцентриковая передача выполненная не на основе эвольвентного зацепления, а на роликовом, на основе зацепления Новикова, является тормозом, по примеру червячной передачи. Во время остановки редуктора в барабане ролики стопорят поворачивание относительной оси, за счёт гипоциклоидного перемещения, где имеется точка стояния. Дополнительно на оси с двух сторон на входе в барабан установлены по 2 тормоза на каждой оси, они могут быть ленточными или дисковыми. Предпочтение необходимо отдать дисковым, которые могут создавать не только повышенный момент сопротивления, но и дублировать системы торможения, что даёт дополнительную возможность плавного торможения, точной фиксации (в случае роботизации процессов перемещения) и значительного увеличения надёжности работы механизма.

Другим наиболее важным узлом в системе привода является вращатель верхнего привода.
Вращатель поворотного типа в кинематической схеме которого имеется две силовые приводные линии мощностью по 400 кВт, и система двух ступенчатого редуктора, которая на первой ступени имеет вертикальный редуктор — стабилизатор мощности, обеспечивающий регулирование скорости вращения от 0 до 20 (технически возможно создать глубину регулирования от 0 до 50), а на второй горизонтальный редуктор в котором имеется приводной ротор с передаточным числом 5. В результате общее передаточное число может изменяться от 5 до 100 в бесступенчатом режиме, плюс наиболее рациональное частотное регулирование кратностью 3 позволит уменьшить количество выходных оборотов бурового инструмента до 50 об /мин. При необходимости, данную величину можно довести до 15÷30 об/мин, но при этом к.п.д. трансмиссии может упасть до 50%. В предлагаемой схеме механического регулирования к.п.д. будет изменяться от 0,9 до 0,85, в зависимости от использования частотного регулирования. Техническая сторона верхнего вращателя имеет особенности, так роторный венец предлагается использовать от тепловоза ТЭМ. Серийная передача, в горизонтальном редукторе, значительно увеличить ресурс и к.п.д. трансмиссии, кроме того редуктор установлен свободно на сален блоках, а крутящий момент воспринимается плашкой с двумя степенями свободы. Основной вал, установленный в несущей поворотной каретки на роликовых опорных подшипниках и шариковых, обеспечивающих центрирование, получает крутящий момент через зубчатую муфту от горизонтального редуктора. Такая система передачи крутящего момента исключает изгибающие усилия на редукторе и позволяет передавать только крутящий момент на основной вал. Редуктор установлен на поворотных цапфах, и имеет систему привода, которая позволяет поворачивать вращатель в горизонтальное положение. Для эффективного поворота вертлюг выполнен осевым по принципу гиравлического поворотного распределителя. Дополнительно на основной штанге устанавливается шпиндель цангового типа, обеспечивающий фиксацию УБТ или переводника от откручивания.
Наличие специальных узлов и технических решений, позволяет сформировать иную схему спуско-подъёмных операций. Для этого необходимо провести новую компоновку буровой установки Рис.5 . в которую входят следующие узлы и системы:
1. — главный барабан;
2. — тормозные барабаны (дисковые тормоза);
3. — тяговая цепь;
4. – верхний вращатель;
5. – цанговый фиксатор;
6. — буровая штанга;
7. – магазин приспособлений и инструмента;
8. – площадка;
9. универсальный манипулятор – ключ, захват, люнет;
10. -устье, привентор;
11. — универсальная головка – захват;
12. – магазин цанговых приспособлений; 13.- рама, опорная ;
14.- нижний барабан дублирующий;
15. – буровые трубы (обсадные трубы);
16. – тележки – роспуски;
17. – направляющая желонки;
18. — желонка;
19. – захват;
20. – фиксированный цанговый патрон;
21.- рама подвески крана-лифта;
22. – телескопические манипуляторы подвески;
23. – рама лифта ;
24. – подвеска манипуляторная.

Рис. 6. Магазин инструмента и СВП
Основу операций должна составлять работа со штатными буровыми трубами УБТ, обсадными трубами и всеми видами вспомогательного бурового, инструмента, переводников и другого оборудования. Для этого система рассчитана на работу с короткими трубами длинной не более 14 метров, отсутствие промежуточных переводников и стыков позволяет отказаться от применения бурового ключа. В место ключа можно использовать шпиндели цангового типа, находящиеся на оси вращателя, ротора и дополнительно на технологической желонке. Кроме того, в роботизированный комплекс входит магазин приспособлений, по типу станков с ЧПУ, где согласно программы, подаётся нужный инструмент или приспособление. Но для полного цикла автоматизации

необходим дополнительный манипулятор, который выполняет роль не только установки инструмента на УБТ, но и выполняет роль ключа, грузоподъёмного устройства при переустановке шпинделя нужного типоразмера, производить ремонт приводных механизмов цепи, установленные на опорной колонне.
Часть механизмов можно выполнить из композитных материалов, включая внешний защитный корпус буровой.
Предлагаемый порядок работы при спуско — подъёмных операциях:
— УБТ находится в верхнем положении на вращателе:

Рис. 8. УБТ в вертикальном положении Рис. 9. УБТ наклонено и установлено в цанговый патрон желонки

Шпиндель цангового патрона установленного на валу СВП зажимает УБТ, при этом нижний шпиндель цангового патрона зажимает трубу в устье. Вращение СВП откручивает УБТ в нижней части от устья, СВП совершает подъём подъёмным по буровой колонне вверх, после разъёма, труб УБТ гидравлическим отклонителем наклоняется в сторону подвижной желонки, устанавливается в жёсткий шпиндель цангового патрона. Желонка отодвигается и переводит УБТ в горизонтальное положение, окончательно уложив УБТ в роспуск производится откручивание вращателем СВП, при этом жесткий шпиндель, установленный на желонке, фиксирует УБТ от поворота. Желонка отводит УБТ в зону отгрузки, где грузоподёмным лифтом, труба УБТ переносится в подвижный транспортный контейнер. В это время СВП поворачивается и устанавливается на устье, закручивая новое соединение, производится удаление клиньев и осуществляется подъём в верхнее положение. Дойдя до верхнего положения, операция повторяется.

В случае наличия переводников, в нижней части, производится захват шпинделем нижней части трубы в устье, а манипулятор ключом захватом фиксирует переводник от вращения. Ротор откручивает переводник, а манипулятор с фиксированным переводником отсоединяет от устья и подаёт переводник в магазин, где производится установка его в определённую секцию транспортёра.

Установка труб производится в обратном порядке. Так труба берётся грузоподъёмным лифтом из передвижного транспортного контейнера устанавливается в желонку, производится захват жёстким шпинделем. В это время опускается по колонне вращатель СВП, переводится в горизонтальное положение, а желонка подаёт бурильную трубу на ось СВП. Система ориентации позволяет точно корректировать соосность трубы и СВП, которая находится на желонке. Свинчивание труб и перевод в вертикальное положение гидравлическим отклонителем не позволяет точно обеспечить соосность, для этого производится захват трубы и наведение на устье. Установка переводника устанавливается как на роторе, так и на буровую трубу. Скан территории работы бурового инструмента позволяет определить координату оси трубы и точно навести манипулятор с переводником или буровым инструментом, взятым из библиотеки.

Корпус буровой установки полностью закрыт с положительной температурой в рабочей зоне. Во время производства закачки тампонажного раствора машины находятся в зоне подвижных транспортных контейнеров, в закрытом помещении. Ширина рабочей зоны составляет 14 х 15  метров, что позволяет  одновременно установить в бокс с положительной температурой 3-5 технологические автомашины для приготовления раствора.

Особенностью предлагаемой буровой установки является применение композитных материалов, что не только позволяет значительно уменьшить время и затраты на монтаж оборудования, перевозку с места на место и передвижение с одной скважины на другую, но и снизить капитальные затраты на подготовку основания. Так в связи с уменьшением массы оборудования в 3-4 раза, возможно перейти на систему завинчивания свай, что сэкономит время и материалы (фундаментные блоки и плиты) на обустройство основания. Более того при переезде на другой куст, материалов основания будет на порядок меньше (сваи выкручиваются и переводятся на другой участок).

Дополнительно, развивая напорное бурение по данной технологии, возможно не только значительно увеличить эффективность бурения лидирующих скважин, но и перейти к наклонному бурению, вплоть до горизонтального расположения буровой, что позволит значительно увеличить глубину ( дальность бурения до 50 ( 100) км.

Противоаварийные мероприятия :

В связи с наличием осевого прижимающего усилия в 500 тонн (5000кН) подающее устройство позволяет создавать реактивную силу, возникающую при проявлениях во время бурения. Но так как давление выбросовой воды не может превышать 4Мпа, то система навески может обеспечить поршневое давление, например на устье скважины диаметром 300 мм в 6 Мпа, что вполне достаточно для удержания прорывающегося потока. Для активной ликвидации проявления можно применить специальные пробки, соединённые с трубопроводом для промывочной жидкости, или специальным отводом, при установке которого на устье можно контролировать сброс давления. Основным недостатком в данном случае является отсутствие собственного прижимного веса, где технически он составляет 200-300 тонн, что может быть не достаточно для создания усилия прижатия. В этом случае необходимо рассмотреть создание системы опор на винтовых сваях. Известно, что устойчивость дневной поверхности земли составляет 180 тонн (для вдавливания фундаментных свай), в этом случае винтовые сваи необходимо закручивать с возможностью обеспечение отрывного усилия не менее 50-80 тонн, что вполне реально для любого грунта на поверхности земли. Технология выкручивания очень простая – подаётся горячий воздух в ствол винтовой сваи, происходит оттаивание и свая выкручивается и может использоваться повторно.

При особо опасных ситуациях, буровой комплекс должен предусматривать съезд с места бурения в сторону на величину не менее 50 метров в автоматическом режиме.