Исследование процесса подъема А-образных вышек буровых установок и оптимальное проектирование механизмов их подъема тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Колесников, Игорь Викторович

• Колесников, Игорь Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесников, Игорь Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ БУРОВЫХ УСТАНОВОК И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОВОДИМЫХ В ОБЛАСТИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1. Основные тенденции совершенствования конструкций буровых установок.

1.2. Анализ научных исследований, проводимых в области бурового оборудования.

1.3. Сравнительный анализ схем подъема А-образных вышек буровых установок.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПОДЪЕМА ВЫШКИ.

2.1. Общие требования к математическим моделям функционирования механизмов подъема вышек.

2.2. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 1.

2.3. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 2.

2.4. Подъем вышки встроенным механизмом по схеме 3.

2.5. Определение напряжений в стержнях вышки при ее подъеме.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА

ПОДЪЕМА ВЫШКИ.

3.1. Общая концепция оптимального проектирования механизма подъема.

3.2. Выбор оптимальных параметров механизма подъема на первоначальной стадии проектирования.

3.3. Уточнение выбранных параметров механизма подъема на заключительных стадиях проектирования.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

4.1. Руководящий технический материал «Расчет подъема вышки».

4.2. Расчёт подъёма вышки БУ2900/175ЭПБМ.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса подъема А-образных вышек буровых установок и оптимальное проектирование механизмов их подъема»

В последнее время в России начали существенно возрастать объемы буровых работ. Увеличивается потребность в буровых установках, обладающих возможностью на высоком техническом уровне и в короткие сроки осуществлять полный цикл строительства нефтяных и газовых скважин.

Совершенствование бурового оборудования диктуется развитием технологии бурения - усложняются конструкции скважин, все чаще применяются методы наклонного и горизонтально направленного бурения, увеличивается глубина скважин и длина бурильной колонны и т.д. С другой стороны, задачи ускорения всего комплекса работ по проводке скважины требуют снижения непроизводительного времени, в первую очередь, за счет ускорения монтажа и демонтажа буровой установки, снижения времени и затрат на транспортировку с одной точки бурения на другую.

Таким образом, одной из самых актуальных задач нефтяного машиностроения является совершенствование выпускаемого оборудования, с тем, чтобы оно, во-первых, соответствовало требованиям развивающейся технологии бурения и, во-вторых, способствовало снижению непроизводительного времени при проводке скважин - в частности, уменьшению времени монтажа-демонтажа буровой установки. Эти задачи, как правило, определяются конструктивными решениями, принимаемыми на стадии проектирования.

Наиболее широко в конструкциях современных буровых установок применяются А-образные буровые вышки. При монтаже буровой установки на месте бурения наиболее ответственной операцией является подъем вышки. В процессе подъема на вышку, основание и сам механизм подъема вышки действуют значительные усилия, вызывающие напряжения, в ряде случаев сравнимые с теми, которые возникают в процессе проводки скважины. В неудачных же вариантах конструкции механизма подъема напряжения в его элементах могут даже превышать рабочие напряжения в элементах самой вышки.

Для определения усилий необходимо построить математическую модель функционирования механизма подъема вышки. При этом, как показывает анализ, ввиду нелинейной связи между геометрическими и силовыми параметрами, входящими в математическую модель, последняя имеет достаточно сложную структуру; решение задачи требует разработки своего алгоритма решения для механизма подъема с каждой конкретной схемой и обязательного применения ЭВМ.

Настоящая работа посвящена созданию математических моделей функционирования механизмов подъема наиболее распространенных схем, разработке алгоритмов и программ их расчета и оптимизации и внедрению указанных разработок для использования в конструкторских и научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием бурового оборудования.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Колесников, Игорь Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования, предъявляемые к математическим моделям функционирования механизмов подъема вышек буровых установок и показано, что к существенным параметрам, которые обязательно должны быть учтены при формировании математической модели, кроме геометрических и силовых необходимо относить «излом» силовой ветви талевого каната, происходящий под действием веса талевого блока.

2. Разработаны математические модели функционирования встроенных механизмов подъема вышек, получивших наибольшее распространение в буровых установках, выпускаемых в настоящее время.

3. На основе созданных математических моделей разработаны подробные алгоритмы расчета всех основных геометрических и силовых параметров, необходимых для прочностных и геометрических расчетов механизма подъема, а также расчетов вышки, подвышечного основания и других узлов, на которые воздействуют усилия, возникающие при подъеме вышек.

4. Предложен аналитический метод оптимизации отдельных параметров механизма подъема буровой вышки. Метод позволяет на начальной стадии проектирования выбирать точку крепления подъемного каната на вышке и положение верхних обводных шкивов, исходя из минимизации изгибающего момента в опасном сечении вышки.

5. Разработан численный метод уточняющей оптимизации, эффективный на заключительных этапах проектирования. Метод основан на использовании программ, разработанных для расчета основных силовых и геометрических параметров механизма подъема.

6. На основе разработанной методики создан алгоритм и программа «VISHKA» расчета механизмов подъема вышек буровых установок. Программа расчета подъема вышек составлена на языке программирования высокого уровня «Турбо-Паскаль» (версия 6.0).

7. На базе этой программы разработан руководящий технический материал «Расчет подъема вышки». РТМ внедрен в практику проектирования в ООО «Волгоградский завод буровой техники» и может быть использован в конструкторских и научно-исследовательских организациях, занимающихся проектированием буровых установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесников, Игорь Викторович, 2004 год

1. Абдурахманов Г.С. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1969.

2. Абубакиров В.Ф., Архангельский B.JI., Буримов Ю.Г. и др. Буровое оборудование. Справочник. Т1. М.: Недра, 2000. - 269с.

3. Аваков В.А. Расчеты бурового оборудования.-М.: Недра, 1973.- 400 с.

4. Аваков В.А., Дмитриев В.Н. Кинематика и параметры современного бурового оборудования.- М.: ВНИИОЭНГ, 1967.

5. Алексеевский Г.В. Буровые установки «Уралмашзавода».- М.: Недра,1981.- 528с.

6. Архангельский B.JL, Авакян И.Е., Бухаленко Е.И. и др. Каталог нефтяного оборудования, средств автоматизации, приборов и спецматериалов. Том 1 и 2 М.: ВНИИОЭНГ, 1993-1994.

7. Архангельский В.Л., Плешков П.П. Новые буровые установки для кустового бурения скважин в Западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1986.

8. А.с. 691551 СССР. Способ подъёма буровой вышки / Лютенко В.Е., Поляк В.Ф., Перерва П.С. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.- 1977.

9. А.с. 840273 СССР. Устройство для подъёма буровой вышки / Лагодин-ский В.Л., Колотнин В.Н. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.- 1981.

10. А.с. 933934 СССР. Устройство для подъёма буровой вышки / Лаго-динский В.Л., Спирюков Л.Г., Колотнин В.Н. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.- 1980.

11. А.с. 1025861 А СССР. Буровая вышка / Батраков В.А.,Крищенко A.M., Семисотнов Г.Ф. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.1982.

12. А.с. 1028832 А СССР. Буровая вышка / Крищенко A.M., Семисотнов Г.Ф. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.- 1981.

13. А.с. 1373786 А2 СССР. Устройство для подъёма буровой вышки / Jla-годинский В.Л., Колотнин В.Н., Багин Н.Н. // М.: ВНИИПИ ГК СССР по делам изобретений и открытий.- 1986.

14. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 1987.

15. Бабаев С.Г., Васильев Ю.А. Повышение надежности оборудования, применяемого для бурения на нефть и газ.- М.: Машиностроение, 1972.

16. Бабаев С.Г., Васильев Ю.А., Шахбазов Я.Г. Нормирование уровня надёжности бурового оборудования // Азербайджанское нефтяное хозяйство. — 1970, №2.

17. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы.- М.: Недра, 1988.501с.

18. Баграмов Р.А. О расчёте талевой системы буровых установок // Машины и нефтяное оборудование. 1966, № 4.

19. Белоусов Д.И., Рощупкин В.И. Буровые установки. М.: Недра, 1973

20. Бержец Г.Н. О запасе грузоподъемности буровых установок. // НТС Машины и нефтяное оборудование. 1964, №1.

21. Бержец Г.Н. Основы классификации и расчеты параметров буровых установок.- М.: Недра, 1968. 257с.

22. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению в 4-х кн .-М.: Недра, 1995.

23. Буяновский Г.И., Лесецкий В.А. Буровые машины и механизмы. -М.: Недра, 1968.

24. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование / Коллектив авторов; под ред. Гусмана A.M. и Порожского К.П. Екатеринбург: УГГ-ГА, 2002.

25. Валишвили Н.В. Формулы для расчёта рам со стойками переменного сечения. М.: Машиностроение, 1965. - 372с.

26. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972.385с.

27. Воевода А.Н., Карапетян К.В., Коломацкий В.Н. Монтаж оборудования при кустовом бурении скважин. М.: Недра, 1987. - 207с.

28. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Методы оптимизации. Минск: изд-во БГУ,1975.-280с.

29. Гликман Л.С., Бержец Г.Н. Основные направления в создании новых буровых установок на нефть и газ. // Нефтяное хозяйство, 1959. №2.

30. Гноевых А.Н., Лобкин А.Н., Абубакиров В.Ф. и др. Справочник монтажника буровых установок. М.: Недра, 1997.

31. ГОСТ Р 12.2.141-99. Оборудование буровое наземное. Требования безопасности. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 11с.

32. Даниелян А.А. Буровые машины и механизмы. М.: Гостоптехиздат,1956.

33. Даниелян А.А. Основные направления проектирования оборудования для бурения глубоких скважин.- М.: Недра, 1967. 282с.

34. Денисов П.Г. Сооружение буровых. -М.: Недра, 1989.

35. Евдокимов А.Г. Минимизация функций. Харьков: Вища школа, 1977. - 160с.

36. Ефимченко С.И. Расчёты бурового оборудования с применением ЭВМ. М.:МИНГ им. И.М.Губкина, 1987. - 54с.

37. Зайцев Ю.В., Балакирев Ю.А. Технология и техника эксплуатации нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1979. - 212с.

38. Ильиных А.И., Шаяхметов В.З., Смирнов С.Р. Несущая способность буровых вышек. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. №3, 2002. С. 16-18.

39. Ильский АЛ. Оборудование для бурения нефтяных скважин.- М.: Машиностроение, 1980. 297с.

40. Ильский А.Л., Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Г. Расчет и конструирование бурового оборудования.- М.: Недра, 1985. 452с.

41. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы.- М.: Недра, 1989.

42. Иночкин П.Т., Прокшиц В.Л. Справочник бурового мастера. М.: Недра, 1980.

43. Иткис М.Я. Разработка научных основ проектирования буровых установок. Автореф. дис. д-ра техн. наук. М.: 1984. - 58с.

44. Иткис М.Я. Расчет и конструирование бурового оборудования с применением ЭЦВМ.- М.: Машиностроение, 1979. 262с.

45. Иткис М.Я., Колесников И.В. Автоматизация определения усилий, действующих на вышку буровой установки в процессе её подъёма. // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. // ВолгГТУ, Волгоград, 1997.

46. Иткис М.Я., Колесников И.В. К определению оптимальных параметров механизма подъема вышки буровой установки // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. // ВолгГТУ, Волгоград, 1998. С.67-70.

47. Иткис М.Я., Колесников И.В. Сотников И.М. и др. Автоматизация выбора параметров механизма подъема буровой вышки // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. // ВолгГТУ, Волгоград, 1999.

48. Иткис М.Я., Колесников И.В., Сотников О.А. Оптимизация схемы подъема буровых А-образных вышек с целью увеличения их прочности // Металловедение и прочность материалов. Межвуз. сб. науч. тр. // ВолгГТУ. Волгоград, 1999.

49. Иткис М.Я., Колесников И.В., Сотников И.М. и др. Оптимизация параметров встроенного механизма подъема А-образной вышки с поворотной стойкой // Металловедение и прочность материалов. Межвуз. сб. науч. тр. // ВолгГТУ, Волгоград ,2001.

50. Иткис М.Я., Колесников И.В., Сотников И.М. и др. Оптимизация параметров встроенного механизма подъема вышки буровой установки // Нефтяное хозяйство 2000. № 1. С.44-46.

51. Иткис М.Я., Шандыбина И.М. Методика расчёта валов буровых установок на прочность и жёсткость при их автоматизированном проектировании // Металловедение и прочность: Сборник трудов ВолгПИ /. Волгоград, 1993. -С. 130-135.

52. Иткис М.Я., Эрлих М.И. Оптимизация параметров подъёма вышек буровых установок градиентным методом. // Вопросы проектирования и эксплуатации бурового оборудования. Свердловск, 1972.

53. Калинин С.Г. Динамика подъёмного механизма буровых установок //Вестник ЛПИ, вып. 17, 1967.

54. Калинин С.Г. Динамика подъёмной системы буровых установок. -Львов.: Вища школа, 1975.

55. Карапетян Г.Б., Архангельский B.JI. и др. Новые буровые установки завода «Баррикады». // Нефтяное хозяйство.- 1967, № 1.

56. Карапетян Г.Б., Зворыкин С.В. Буровые установки глубокого бурения. М.: Машгиз, 1960. - 368с.

57. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. и др. Современные зарубежные станки и установки. М.: Недра, 1976.

58. Керимов З.Г. Динамические расчёты бурильной колонны. М.: Недра, 1983.

59. Кершенбаум Я.М., Юдолович М.Я. Ремонт и монтаж нефтепромыслового оборудования. М.: Гостоптехиздат, 1962.

60. Колесников И.В. Новое оборудование ВЗБТ для решения проблем экологической безопасности при бурении скважин. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. 2001. № 3. С.24-26.

61. Колчерин В.Г., Ильиных А.И., Грамолин В.Н. Новое поколение буровых установок завода «Уралмаш» в Западной Сибири. Справочное пособие. Сургут ОАО «Сургутнефтегаз». Рекламно-издательский информационный центр «Нефть Приобья». 2002.

62. Колчерин В.Г., Колесников И.В., Копылов B.C. и др. Новое поколение буровых установок Волгоградского завода в Западной Сибири Сургут: ГУЛ ХМАО. - Сургутская типография, 2000.

63. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР. М.: Радио и связь, 1990.-352с.

64. Куцын П.В. Вышкомонтажник. М.: Недра, 1981.

65. Лесецкий В.А., Ильский А.Л. Буровые машины и механизмы.- М.: Недра, 1980.-219с.

66. Миронов Ю. В. О коэффициенте запаса при расчёте буровых вышек // Машины и нефтяное оборудование 1972, № 3.

67. Миронов Ю.В. Расчёт параметров конструктивно-геометрической схемы буровых вышек // Машины и нефтяное оборудование. 1972, № 10.

68. Миронов Ю.В., Шмидт А.П. Определение технического уровня комплектных буровых установок по комплексу единичных показателей И Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1999.- № 2 С. 9-11.

69. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа,- М.: Недра, 1984. 464с.

70. Мкртычан Я.С. Повышение эффективности эксплуатации буровых насосных установок. М.: Недра, 1984. - 207с.

71. Муравенко В.А., Муравенко А.Д., Муравенко В.А. Буровые машины и механизмы. Том 1.- 520 с. Том 2.- 404 с. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002.

72. Недельский О.С., Молчанов Л.В., Колесников И.В. ОАО «Волгоградский завод буровой техники» 50 лет на рынке нефтепромыслового оборудования // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. 2000, № 1. С. 9-11.

73. Николич А.С. Поршневые буровые насосы. М.: Недра, 1973.338с.

74. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986. - 304с.

75. Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. Киев: Техника, 1982. 295с.

76. Поляков Г.Д. Проектирование, расчет и эксплуатация буровых установок. М.: Недра, 1983.

77. Поляков Г.Д., Булгаков Е.С. Вышки и мачты в разведочном бурении. Куйбышевское книжное издательство, 1975.

78. Поляков Г.Д., Булгаков Е.С., Лащилин К.Н. Подъёмные устройства геологоразведочных буровых установок. М.: Недра, 1976.

79. Поляков В.П., Смирнов В.Н., Константинов А.А. Буровые установки завода «Баррикады». М.: Недра, 1972.

80. Пономарёв К.К. Расчёт элементов конструкций с применением ЭЦВМ. М.: Машиностроение, 1972. - 423с.

81. Порошин В.Г. К расчёту буровых вышек на прочность // Нефтепромысловое машиностроение. — 1966, № 1.

82. Программный комплекс для расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания /?roFE/&STARK ES. М.: Еврософт, 2002.

83. Проектирование и испытание буровых установок «Уралмашзавода». //Сборник научных трудов. Свердловск, 1990.

84. Пындак В.И. Повышение технического уровня и снижение материалоемкости буровых установок. М.: ЦИНТИХИМнефтемаш, 1986.

85. Северинчик Н.А. Машины и оборудование для бурения скважин. — М.гНедра, 1986. -368с.

86. Сергеев Н.Д., Богатырёв А.И. Проблемы оптимального проектирования конструкций. Л.: Стройиздат, 1971 136с.

87. Сидоров Н.А. Бурение и эксплуатация нефтяных и газовых скважин. -М.: Недра, 1982.-376с.

88. Скрыпник С.Г. Анализ параметров и конструктивных особенностей зарубежных буровых установок. М.: ВНИИОЭНГ, 1980.

89. Скрыпник С.Г. Индустриальный метод сооружения буровых установок. М.: Недра, 1972.

90. Скрыпник С.Г. Новейшие методы монтажа буровых установок с учетом климатических условий. М.: ВНИИОЭНГ, 1983.

91. Скрыпник С.Г. Сооружение буровых на суше. -М.: Недра, 1991.

92. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». М.: ГП ЦПП, 1996.55с.

93. Тарасевич В.И. Основы повышения производительности буровых установок. М.: Недра, 1968.

94. Уайлд Д.Дж. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967. - 267с.

95. Харченко Е.В. Динамические процессы буровых установок. Львов: Свит, 1991.- 176с.

96. Юртаев В.Г. Динамика буровых установок М. Недра, 1987. - 155с.

97. Юртаев В.Г. О влиянии коэффициента приведения массы бурильной колонны на динамику спуско-подъёмного комплекса // Бурение и разработка нефтяных месторождений. Куйбышев. - 1989. С.56-58.

98. Юртаев В.Г. Расчёт вертикальных динамических нагрузок, действующих в конструкции вышки // Изв. вузов. Нефть и газ. 1978, № 6. С. 17-19.

99. Canrig Drilling Technology Limited, Product Information, 2001.

100. Composite catalog of Oil field equipment and Services, Texas, USA, World Oil A Gulf Publishing Company Publication, 1998-1999, Vol. 1-4.

101. National-Oilwell Composite Catalog Section, National Oilwell 1992/93.

102. Specification for Drilling and Well Servicing Structures. API Specification 4F, Second Edition. American Petroleum Institute, June 1, 1995.