Методика расчета параметров подъемной лебедки буровой установки

УДК 622.242

В. С. Шестаков, В.А. Стрекотин

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПОДЪЕМНОЙ ЛЕБЕДКИ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Семинар № 16

дним из направлением научной деятельности кафедры горных машин Уральского государственного горного университета является совершенствование нефтегазового оборудования. Исследования проводятся совместно департаментом развития нефтегазового оборудования фирмы ОМЗ-Морские и нефтегазовые проекты. При обзорном анализе выявилась потребность в разработке новых и уточнения существующих методик расчета параметров буровых установок для нефтяных скважин. Используемые в настоящее время методики имеют некоторые недостатки, так, в них не обеспечен поиск оптимальных параметров. Разрабатываемые нами методики предназначены для реализации на ЭВМ, поэтому в них решено было применять имитационные модели работы механизмов, обеспечивающие возможность расчета значений при минимуме допущений.

В созданной к настоящему времени и реализованной в виде программы для ЭВМ методике выполняется расчет параметров подъемных лебедок буровых установок: мощности привода; передаточного отношение лебедки; параметров механической характеристики привода; продолжительность рабочего цикла.

В разрабатываемой методике реализован рабочий процесс подъемной лебедки, включающий следующие операции при подъеме бурильной колонны из скважины: подъем бурильной колонны из скважины на длину свечи; посадка колонны на клинья, развинчивание, установка свечи на подсвечник; спуск порожнего элеватора; захват бурильной колонны.

При опускании бурильной колонны в скважину включены операции: спуск бурильной колонны в скважину на длину свечи; развинчивание, перенос штропов; подъем порожнего элеватора; установка свечи из свечеприемника и завинчивание.

Разработанная к настоящему времени методика позволяет:

подбирать наиболее двигатель для проектируемой буровой установки;

проводить исследования по выбору конструктивной схемы механизма (с односкоростным или двухскоростным редуктором, с опусканием бурильной колонны и порожнего элеватора двигателем или тормозом), по влиянию параметров лебедки (размеров барабана, передаточного отношения, мощности и настроечных параметров привода, моментов инерции и масс элементов и др.) на основную функцию лебедки - продолжительность подъема и опускания бурильной колонны;

определять продолжительность подъема и опускания бурильной колонны с учетом конструктивного исполнения механизма, механической характеристики привода, изменения нагрузок на крюке по мере изменения длины бурильной колонны;

определять оптимальное передаточное отношение механизма по критерию продолжительности подъема и опускания бурильной колонны заданной длины для одно- и двухскоростного редуктора;

определять загрузку двигателя в процессе работы.

Расчет параметров в разработанной методике начинается с выбора приводного двигателя. Алгоритм построен следую-

щим образом. Начиная с минимальной мощности, принимается двигатель из числа выпускаемых заводами, который может быть применен для буровых установок. Двигатель может быть постоянного тока или переменного с частотным регулированием. Для этого двигателя выполняются расчеты по определению передаточного отношения механизма, по определению продолжительности подъема и опускания бурильной колонны, рассчитывается стоимость механизма. Такие расчеты выполняются для всех двигателей, возможных для применения в приводе. При последующем сравнении результатов расчетов принимается «лучший» вариант, т. е. проводится структурная оптимизация исполнения привода.

Внутри цикла выбора двигателя присутствует цикл перебора возможных конструктивных схем: с односкоростным или двухскоростным редуктором, с опусканием бурильной колонны и порожнего элеватора двигателем или тормозом. Для каждой конструктивной схемы составлена имитационная модель рабочего процесса, позволяющая имитировать процесс подъема бурильной колонны из скважины и опускания ее в скважину при замене долота, имитировать работу механизма при перемещении на длину свечи крюкоблока с бурильной колонной и без нее. Имитация работы механизма выполнения с помощью дифференциальных уравнений движения элементов. Рабочий процесс двигателя в механизме реализован через механическую характеристику привода, электромагнитные процессы, ввиду их малого влияния на продолжительность движения, не учитываются. Такое упрощение позволило существенно понизить сложность математической модели и сократить время расчетов, что является немаловажным при проведении оптимизационных расчетов. В модели реализованы три варианта механических характеристик привода: постоянного тока с так называемой отсечкой по току, постоянного тока и переменного то-

ка с частотным регулированием по закону постоянства мощности, с заданием характеристики отрезками.

При расчете параметров механической характеристики для расчета максимального момента и максимальной скорости используют данные завода изготовителя. В применяемых в настоящее время приводах максимальный момент в 1,8-2,5 раза больше номинального, максимальная скорость при использовании ослабления поля в 1,5-6 раз больше номинальной (больший коэффициент для двигателей с частотным регулированием). По данным заводов-изготовителей и определяются максимальные значения момента и скорости статической характеристики. С заданием мощности при регулировании по закону постоянства мощности несколько сложнее. В известных методиках предлагается использовать номинальную мощность двигателя. На наш взгляд при определении значения N необходимо учесть такую особенность работы подъемной лебедки, как значительные изменения момента на валу двигателя. При перемещении порож-него крюкоблока момент значительно меньше, чем при перемещении бурильной колонны. С учетом этого можно задавать для регулирования мощность, большую номинальной. Точное значение мощности регулирования может быть определено только в процессе уточненных расчетов при определении коэффициента загрузки. При задании значения мощности регулирования необходимо учитывать мощность применяемых в приводе преобразователей, так как зачастую их стоимость выше стоимости двигателя. Для проверочных расчетов можно начинать расчет с номинальной мощности преобразователя. Если расчеты выявят, что мощность регулирования, равная мощности преобразователя, приводит к перегреву двигателей, то следует уменьшить мощность регулирования для механической характеристики.

40000 30000 20000 10000 0

-10000 -20000 -30000

250 200 150 100

0.90 !

0.80

0.70

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

Изменение крутящего момента, Нм

к и:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9

Скорость вала двигателя, 1/с

10 20 30 40 50 60

При составлении математического описания модели для расчета продолжительности принята одномассовая расчетная схема. В процессе приведения параметров к звену приведения - валу двигателя использованы формулы приведения и попутно выполнен анализ составляющих в суммарном, приведенном к валу двигателя, моменте инерции.

Для буровой установки БУ 4500/270 ЭК-БМ получены следующие значения

1

/

/

1 г,

90

-, Скорость крюка, м/с

Р 1

/

/

г,с

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Пример графиков изменения момента на валу двигателя (а), скорости вала (б) и скорости крюка при подъеме бурильной колонны и опускании порожнего крюкоблока

приведенных к валу двигателя моментов инерции: двигателя с быстроходным валом и муфтой 45,2 %, барабана 44 %, шкивов талевой системы 3 %, каната талевой системы 4 %, бурильной колонны с поступательно движущими элементами 4,4 %. Таким образом, существенную долю в суммарном моменте инерции занимают муфты, валы и барабан. Такая малая составляющая бурильной колонны объясняется большим значением передаточного отношения. Ввиду большой доли в суммарном моменте привода имеется возможность в снижении этого момента, а значит и времени цикла. При исключении излишних запасов прочности, при установке малоинерционных элементов можно уменьшить суммарный момент инерции.

В процессе исследований выявлена еще одна интересная информация. При расчете приведенной к крюкоблоку суммарной массы всех элементов, расположенных за барабаном, получены следующие значения. Доля элементов в суммарной массе: бурильной колонны 39 %; шкивов талевой системы 28,4 %; каната талевой системы 32,6 %. Таким образом, шкивы и канат талевой системы обладают большой инерционностью и это приводит при подъеме порожнего крюкоблока к его переподъему при торможении, а иногда и к появлению

50

0

0

слабины каната. При наличии слабины происходит обратное движение крюко-блока, рывок каната и преждевременный его износ. Чтобы не появлялась слабина каната при торможении в методике предусмотрен расчет тормозного момента двигателя по условию обеспечения относительного ускорения торможения двигателя меньшего, ускоре-ния торможения крюкоблока. Это приведет к постоянной натяжке каната. Относительно большая доля шкивов талевой системы определяет дополни-тельное требование к их проектированию: по возможности обеспечить снижение момента инерции.

При уменьшении суммарного момента инерции шкивов можно будет обеспечить большие ускорения при торможении, будет меньший переподъем блоков.

Разработанная методика реализована в приложении Microsoft Excel с использованием алгоритмического языка Visual Basic для приложений. Выходной документ разработан в виде пояснительной записки, результаты расчета выводятся в таблицах и иллюстрируются графиками, что является очень удобным для анализа. Пример графиков представлен на рисунке.

— Коротко об авторах -

Шестаков В.С. - профессор, Стрекотин В.А. - магистрант,

Уральский государственный горный университет.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

ДИССЕРТАЦИИ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАН ТХЭ САН Исследование силового воздействия оползневых массивов на удерживающие конструкции Симплекс-методом 05.23.02 к.т.н.

УДК 622.271

С. С. Коломников

РАЗРАБОТКА И АДАПТАЦИЯ МЕТОДОВ

© С.С. Коломников, 2006