Компоновка основного оборудования буровой установки по вертикали

Компоновка основного оборудования буровой установки по вертикали зависит от ряда факторов: глубины бурения, назначения установки, типа привода, способа монтажа и демонтажа, высоты пола буровой.

Когда глубина скважины большая и бурение ведут для разведки на глубинах с малоизвестным геологическим разрезом, установка должна иметь соответствующее оборудование для герметизации устья скважины, состоящее из плашечных превенторов, универсального и вращающегося превентора. Для установки этого оборудования между устьем скважины и ротором должно быть необходимое пространство.

Тип привода также играет большую роль. Если установка имеет групповой дизельный привод, то основные исполнительные механизмы (лебедка, ротор и насосы) должны быть связаны единой трансмиссией.

На рис. 3.8 приведены типичные схемы компоновки бурового оборудования по вертикали. На рис.3.8, а показана компоновка лебедки, ротора и силового привода на уровне пола буровой. Такая компоновка приемлема при небольшой высоте пола буровой (Н <3 м). Для скважины глубиной 2— 2,5 тыс. м, когда не ожидается высоких пластовых давлений, не требуется применение всего комплекса оборудования для герметизации устья.

Компоновка оборудования на одном уровне имеет то преимущество, что монтаж трансмиссий и их конструкция значительно упрощаются.

При большой высоте пола буровой (3 м< Н <6 м) компоновка по этой схеме становится неэффективной и оборудование целесообразнее монтировать по схеме, приведенной на рис.3.8, б. Расположение лебедки и ротора на уровне пола буровой, а силового привода несколько ниже позволяет облегчить его металлическое основание. Однако разность уровней Н и h _д определяется трансмиссией, соединяющей силовой привод и коробку передач, так как межосевые расстояния А _л (между валами двигателя и лебедки) и А _н (между валами двигателя и насоса) при цепном приводе должны быть не более 3 м, а при клиноременных передачах не более 4 м.

Схема, приведенная на рис.3.8, в, позволяет поднять уровень пола буровой на любую необходимую высоту (Н = 6÷10 м), улучшает расположение и упрощает монтаж лебедки и силового привода. Недостаток такого конструктивного решения - необходимость привода ротора и вспомогательной лебедки или от индивидуальных двигателей, или от группового привода, расположенного ниже пола буровой, через угловые редукторы и вертикальный вал. Высоту основания силового привода h _д в этом варианте выбирают равной высоте грузовой платформы транспортных средств для удобства погрузки и разгрузки; обычно h _д = 1,8 ÷2 м. На рис.3.8, г приведена компоновка оборудования для герметизации устья скважины под полом роторно-вышечного блока. Важную роль для установок, используемых для бурения на суше, когда их перевозят по дорогам с ограниченными габаритами, играет их транспортабельность. В этом случае уже на начальной стадии проектирования должен быть решен вопрос о расчленении буровой установки на транспортабельные блоки. Габариты и масса каждого блока должны согласовываться с возможностями транспортных средств. Этому вопросу в настоящее время уделяется большое внимание, и специальные транспортные средства разрабатываются одновременно с проектированием буровой установки.

Перед выбором той или иной схемы компоновки необходимо рассмотреть все эти факторы и принять вариант, обеспечивающий технико-экономический эффект в заданных условиях.

6. Принципы и сущность определения передаточных отношений механизмов буровой установки.

При разработке кинематических схем необходимо предварительно установить величины передаточных отношений и взаимное расположение валов, затем произвести ориентировочный прочностной расчет передач, после чего следует откорректировать полученные результаты. Сначала задаются частотами вращения конечных звеньев кинематической цепи: буровых насосов, лебедки и ротора. Затем выбирают двигатели и устанавливают частоты вращения валов трансмиссии.

Валы буровых насосов имеют одну или две ступени частоты вращения. При выборе кинематической цепи привода насоса сначала устанавливают общие передаточные отношения передач:

(3.3)

Обычно выбирают две-три ступени передач. При двухступенчатой передаче в первой ступени обычно применяют цепную или клиноременную передачу с передаточным отношением u ₁₂≤4. Вторая ступень зубчатая, реже цепная, с передаточным отношением u ₃₄≤6, размещается в корпусе насоса.

При трехступенчатой передаче первая ступень обычно гидравлическая, реже зубчатая, с передаточным отношением и ₁₂ ≈ l,3÷l,8; часто применяют и цепные передачи. Остальные ступени аналогичны двухступенчатой передаче.

При разработке кинематической цепи привода лебедки сначала выбирают число и структуру частот вращения подъемного вала. Если лебедка и ротор приводятся от одной общей коробки передач, то структуру частот вращения выбирают такой, чтобы удовлетворить техническим требованиям лебедки и ротора. После этого устанавливают передаточные отношения между подъемным валом п _ли ведущим валом п _д. Пределы передаточных отношений для различных буровых установок довольно широкие:

при низшей частоте вращения п _лн

(3.4)

при высшей частоте вращения п _лв

(3.5)

Меньшие значения соответствуют низкочастотным и мощным двигателям и высокочастотным лебедкам; большие значения соответствуют высокочастотным двигателям и низкочастотным лебедкам.

Для установления предварительных значений передаточных отношений можно использовать аналитический или графоаналитический способ. Последний значительно проще и нагляднее, позволяет быстрее отыскивать возможные варианты решения и уменьшает вероятность ошибок по сравнению с аналитическим. Рассмотрим графоаналитический способ определения передаточных отношений. По этому способу последовательно используют графики частот вращения (рис. 3.13) и структурную сетку (рис. 3.14), например, четырехступенчатого пятивального привода буровой лебедки. Структурная сетка необходима для выявления возможных вариантов (последовательностей) переключений передач и выбора передаточных отношений; при помощи графика частот вращения устанавливают величины передаточных отношений. График частот вращения указывает, как осуществляются пе реключения коробки передач для получения всех частот вращения.

График частот вращения позволяет установить ряд основных признаков, характеризующих кинематическую схему механизма, кроме того, передаточные отношения всех передач и частот вращения валов при всех возможных переключениях коробки передач. График указывает также на способ получения всех час тот вращения вала V и на порядок переключений. Из графика видно, что

 

 

(3.8)

 

т. е. основными являются группы передач и ₁и и₂ между валами I, II, III; и ₃, и ₄ и и ₅ между валами III и IV. Структура частот вращения вала V несколько отличается от геометрического ряда, так как расстояния между n ₅₁ и n ₅₂, n ₅₃ и n ₅₄ и т. д. не равны между собой (см. рис. 3.9). Очевидно, что те же частоты вращения вала V можно получить и при других значениях передаточных отношений. Составляют несколько таких вариантов и выбирают наилучший в конструктивном и кинематическом отношениях.

Как видно, приведенный вариант не очень удачен, так как передаточные отношения между валами II и III слишком большие, что вынудило применить между валами III и IV повышающую передачу, а это не всегда целесообразно.

Структурная сетка используется при разработке или анализе кинематических схем, выявлении возможных вариантов переключения передач и выборе относительных величин передаточных отношений в механизмах с КПП. Структурная сетка внешне отличается от графика частот вращения (рис. 3.13) тем, что на нем наносятся знаменатели прогрессии ряда частот вращения валов. На рис. 3.14 приведена структурная сетка пятивального механизма того же, что и на рис. 3.13. Структурная сетка позволяет решить вопрос о возможности конструктивного осуществления механизма с кинематической схемой при намеченном порядке переключений передач и выбранном соотношении передаточных отношений и_mах/и_тin. Например, если бы было нельзя осуществить конструктивно КПП по схеме рис. 3.13, то ее нельзя было бы осуществить и по другой схеме, так как отношение и_тах/и_тin постоянно.

Структурную сетку строят следующим образом: на график наносят на равных расстояниях параллельные линии I - V. Затем середины линий I и II соединяют прямой, так как валы I и II имеют постоянные частоты вращений п ₁и п ₂. Между валами III и IV имеются три передачи, и на валу IV может быть осуществлено три ступени частот вращения п ₄₁, п ₄₂, и п ₄₃со знаменателями прогрессии φ ₁ =п ₄₂ /п ₄₁. Величина φ ₁откладывается влево, точки п ₃и п ₄₂ соединяются вертикальным отрезком, а величина знаменателя прогрессии φ₂=п ₄₃ /п ₄₂ откладывается вправо от точки п ₄₂до точки п ₄₃.

Валы IV и V соединены двумя передачами, и на валу V может быть получено шесть частот вращения. От перпендикуляров, опущенных из точек п ₄₁, п ₄₂и п ₄₃на линию вала V, откладываются влево и вправо величины знаменателей прогрессии φ₃, φ₄ и φ₅. В результате на линии вала V получаем шесть точек п₅₁, п ₅₂, …, п ₅₆, которые соединяются с точками п ₄₁, п ₄₂, и п ₄₃. Расстояния между точками п ₅₁, п ₅₂, …, п ₅₆, будут равны знаменателям прогрессии ступеней частот вращений вала V.

Величины φ откладываются по горизонтали по логарифмической сетке. Если бы кинематическая схема рассматриваемой установки была выполнена по геометрическому ряду, то значения

φ ₅₁ = φ ₅₂=…= φ ₅₅ =const.

Из рассмотрения структурной сетки видно, что: механизм создает шесть ступеней частот вращения на последнем ведомом валу при постоянной частоте вращения первого ведущего вала; механизм - пятивальный с двумя постоянными передачами и двумя группами передач, причем первая из них, считая от на­правления передачи движения, состоит из трех ступеней, а вторая - из двух; для первой группы передач общее передаточное отношение u = φ ₁ φ ₂, а для второй группы передач общее передаточное отношение и = φ ₅₁ φ ₅₂ φ ₅₃ φ ₅₄ φ _55; для геометрического ряда было бы u = φ ₁^k-1, где k - число ступеней.

Из изложенного можно сделать заключение, что для определения передаточных отношений u ₁установки следует:

1) построить варианты структурных сеток, соответствующих намеченной структурной формуле;

2) определить для каждой из сеток диапазон регулирования R=(n _max /n _min ) _max, установив, какой из них удовлетворяет требуемым условиям, т. е. для каких вариантов возможно осуществление проектируемого механизма;

построить график частот вращения для выбранного варианта, руководствуясь предельно допустимыми передаточными отношениями; этот график даст окончательные абсолютные значения передаточных отношений всех механизмов установки.