Глава XIX

УСТАНОВКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ГЛУБОКИХ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

§ 1. Кинематические схемы буровых установок

Каждая кинематическая связь исполнительных звеньев в буровой установке состоит из одной или нескольких меха­нических, электрических, пневматических, гидравлических или других кинематических цепей, через которые и осуществляются тре­буемые исполнительные движения.

Так как в буровых установках исполнительные движения яв­ляются вращательными или прямолинейными, то внутренние ки­нематические связи осуществляются одной кинематической парой между исполнительным звеном, участвующим в данном движении и называемым подвижным исполнительным з в е -л о ы, и исполнительным звеном, не участвующим в рассматриваемом относительном движении и называемым неподвижным исполнитель­ным звеном (рис. XIX-1, а и б).

По внутренней кинематической связи определяется характер исполнительного движения.

Скорости движений по кинематическим связям не определяются.

Внешняя кинематическая связь между подвижным исполнитель­ным звеном и источником движения осуществляется обычно не­сколькими звеньями.

При помощи подвижных звеньев (рис. XIX-1, е и г), называемых механизмом настройки (i_v), осуществляется кинемати­ческая настройка на заданную скорость исполнительного движения при неизменной скорости первичного двигателя.

На рис. XIX-2, а показана кинематическая схема буровой уста­новки, а Х1Х-2, б — структурная схема той же буровой установки, осуществляющая три элементарных движения, настраиваемая ме­ханизмами настройки i_ei и i_vs.

Количество кинематических групп буровой установки соответ­ствует количеству простых относительных движений и количеству

28 заказ 1015. 433

и

н

Рис. XIX-1. Кинематические группы

буровой установки, осуществляющие

одно простое двищение.

а и в — вращательное движение; б и г — возвратно-поступательное; г — механизм настройки: i — турбобур; 2 — долото; з — цилиндр насоса; 4 — поршень; 3 — двигатель; б — ротор; 7 — талевая си­стема.

Рис. XIX-2. Схемы буро­вой установки.

а — кинематическая; б —

структурная; 1 — двигатель; 2 —• насос; 3 — ведомое звено цепи привода; 4 — крюн; 5 ~ долото.

источников движения. Внешняя кинематическая цепь может соеди­няться с внутренней не только через конечное звено внутренней цепи: она может соединиться через любое промежуточное звено внутренней кинематической цепи, которая называется ведомым звеном цепи привода.

Если установка имеет один источник движения (групповой при­вод) или вообще число источников движения меньше числа групп, то часть звеньев в цепях привода или других кинематических груп­пах может быть общей. 13 этом случае кинематические группы яв­ляются взаимосвязанными между собой через цепи привода.

В буровых установках с одиночным приводом главных исполни­тельных механизмов насосов, ротора и лебедки имеются обособлен­ные простые группы.

При групповом силовом приводе кинематическая схема состоит из сложных кинематических групп.

Кинематическая настройка буровых установок осуществляется периодически и частично автоматически в зависимости от изменения режимных условий бурения, для чего применяют 2 — 4 механизма настройки, коробку передач привода ротора и лебедки, сменные шкивы привода насосов, талевую систему, позволяющую изменять оснастку и др.

При применении турботрансформаторов, электромашинной пере­дачи или других устройств кинематическая настройка в известных пределах осуществляется автоматически.

Кинематическая настройка в основном сво­дится к установке параметров механизма настройки, при помощи которых достигаются нужные расчетные перемещения конечных звеньев цепи.

Формула настройки

где i_it — передаточные числа постоянных звеньев кинематической

цепи;

г',, — передаточные числа механизма настройки; п_г п п.₂ — скорость вращения источника движения и исполнитель-

ного устройства.

Основные перемещения и скорости движения конечных звеньев определяют кинематическую схему буровой установки.

Общие требования, предъявляемые к кинематическим схемам буровых установок

Кинематическая схема буровой установки должна удовлетворять ряду требований.

А. Технологии бурения. 1. Обеспечение требуемого диапазона регулирования и изменения скоростей движения ротора, насосов и крюка.

28* 435

2. Обеспечение манипулирования скоростью подъема и спуска бурильных колонн при наименьшей затрате времени.

3, Наиболее полное использование мощности.

Б. Простота конструкции, которая определяется степенью сложности кинематической схемы. При сопоставлении ва­риантов кинематических схем в качестве критериев могут быть выбраны следующие.

1. Количество узлов, входящих в кинематическую схему уста­ новки: валов, клипоременных, цепных и зубчатых пере,^т1,ач, подшип­ ников, муфт сцепления, блоков талевой системы, число слоев на­ мотки каната на барабан лебедки, количество клапанов, сальников, трубопроводов и других распределительных частей насосов, лнев- мосистемы управления, число механизмов управления.

2. Количество сравнительно сложных в изготовлении или сборке узлов: редукторов, коробок скоростей, фрикционных муфт и т. д.

3. Расположение валов, обеспечивающее наиболее легкий и простой монтаж, параллельность и соосность их осей, наименьший угол наклона передач при цепных и клино ременных передачах.

При оценке различных вариантов схем по признаку их сложности учитывают степень механизации, автоматизации и безопасности всех процессов.

В. Механизации буровой установки с целью облегчения физического труда рабочих и сокращения времени про­ходки скважин определяются технической и экономической целе­сообразностью.

Г. Надежности буровой установки отдельных агрегатов и механизмов оцениваются с точки зрения возможности исключения аварий и наилучшего дублирования цепей, обеспечива­ющих бесперебойную работу.

Д. Высокому к. п. д. кинематических цепей привода подъ­емного механизма, ротора и буровых насосов, который зависит от к. п. д. отдельных механизмов и числа передач.

Е. Мобильности буровой установки— опре­деляется возможность более простого и быстрого монтажа и демон­тажа механизмов буровой установки на отдельные легкотранспорти­руемые блоки и скоростью транспортировки с одной на другую точку бурения,

Разработка кинематических схем

Кинематическая цепь содержит тем меньше передач, чем меньше различаются скорости ведущего и ведомого звеньев ее. Как уже указывалось, предельные скорости вращения конечных звеньев кинематических цепей буровых установок составляют для буровых насосов 30—80 об/мин коренного вала, для роторов до 350 об/мин стола ротора и для лебедки до 600 об/мин барабана. Поэтому для уменьшения редукции при механических трансмиссиях применяют невьтсокооборотные приводные двигатели.

Более высоко обо ротные двигатели усложняют кинематическую схему и конструкцию, тихоходные — увеличивают массу силовой части установки и ухудшают ее приемистость.

При разложении общего передаточного отношения на частные из всех возможных вариантов наиболее выгодным в конструктивном отношении является тот, при котором наибольшее замедление враще­ния приходится на конечные звенья кинематической цепи. Если общее передаточное отношение

u = u^u_z, . . ., u_k, (XIX-2)

то должно быть

^ui > "а > «з >••••>• Щ_:- (XIX-3)

Это правило относится не только к буровым установкам, но и к большинству машин вообще. Основано оно на том, что многие размеры деталей механизмов кинематической цепи, передающей мощность TV, по мере уменьшения скоростей вращения увеличива­ются. Например, поперечные сечения валов и модули зубчатых ко­лес при прочих равных условиях, а также габариты зубчатых пере­дач обратно пропорциональны -\fn.

Габариты клиноременпых и цепных передач обратно пропорци­ональны п, диаметры рабочих колес турбомуфт и турботрансформа-торов обратно пропорциональны ^п и т. д.

При небольшом различии в передаточных отношениях порядок их расположения большого значения не имеет.

В кинематических схемах коробок передач буровых установок разбивка передаточных чисел осуществляется по выбранной струк­туре.

Ступенчатое изменение скоростей вращения барабанов лебедок и роторов обеспечивается коробками передач.

В кинематической цепи, которая должна давать k различных скоростей вращения, по заранее выбранному числу постоянных передач х с изменяемыми независимыми передаточными отношениями, число передач будет наименьшее, если количество передач, участвующих в каждой группе, будет одинаковым и рав­ным i/⁷ k. Так, например, коробка с 9 ступенями при числе передач х = 2 будет иметь наименьшее число шестерен, если число шесте­рен в каждой группе р = ]/9 = 3. Число валов в коробке будет х -\- 1, т. е. три вала. Каждая группа будет иметь по три передачи. Число шестерен в коробке будет 12, в двухвальной же девятиско-ростной коробке должно быть 18 шестерен и т. д.

Передачи, расположенные ближе к барабану, имеют большие размеры и стоимость их будет выше.

Если число групп р = у⁷k не целое число, то его округляют в первой группе в большую сторону, а в последующих в меньшую.

Так, например, для шестискоростной коробки при х = 2р = 1/6 = = 2,43. В первой группе целесообразно выбирать три передачи, а во второй две.

437

Кинематика привода насосов. Число передач в этой цепи зависит от общего передаточного числа.

Тип передач определяется в соответствии с передаваемой мощ­ностью.

Общее передаточное число к насосу

^10^24. (XIX-4)

Число ступеней передач к насосу выбирается обычно 2—3. При двухступенчатой передаче в первой ступени обычно приме­няются гидравлические, клиноремеиные или цепные передачи с пе­редаточным числом i sS 4. Вторая передача — зубчатая или цепная с передаточным числом г«=?4-^6.

При трехступенчатой схеме первая передача обычно гидравли­ческая, цепная или зубчатая с передаточным числом i ^ 1,3 -г-~ 1,6. Остальные передачи аналогичны двухступенчатым.

Кинематика привода лебедки. Структура ско­ростей вращения должна удовлетворить требования одной лебедки или лебедки в: ротора одновременно, если ротор приводится от ле­бедки. Общее передаточное число между подъемным валом и веду­щим валом двигателя для различных буровых установок изменяется в широких пределах:

низшая скорость

высшая скорость

*„=-^~2ч-6. (XIX-5)

^илк

Меньшие передаточные числа соответствуют более .тихоходным и мощным двигателям и быстроходным лебедкам; большие, наоборот, быстроходным двигателям и тихоходным лебедкам.

Для установления предварительных передаточных чисел ис­пользуют аналитический и графоаналитический способы; последний значительно проще и нагляднее позволяет быстрее отыскивать решение и уменьшает вероятность ошибок по сравнению с аналити­ческим.