Практические работы по буровому оборудованию. Практические работы 1. Тема Определение вертикальных нагрузок на буровую вышку. Выбор буровой установки Цель работы Научиться определять нагрузки на вышку и выбирать буровую установку в зависимости от конкретных условий бурения
 Скачать 4.21 Mb.
|
|
ТЕМА: Определение сработки элеватора по диаметру Цель работы: Научиться определять сработку элеватора по диаметру. В нефтегазодобывающей промышленности при бурении и капитальном ремонте скважин используются специальные устройства для спускоподъѐмных операций с трубами. Элеватор (трубный элеватор) – служит инструментом, осуществляющим захват трубы и удержание на весу в процессе спускоподъемных операций. Основным элементом конструкции элеватора является затвор, который должен обеспечивать надежное соединение захватного устройства в период спускоподъемных работ. Элеватор – грузоподъемное устройство, воспринимающее вес колонны труб и дополнительные нагрузки. Существуют различные конструкции элеваторов и каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Работа с элеватором это тяжелая работа, которую выполняет человек. Для создания более комфортных условий работы человека с элеватором необходимо применять методы автоматизации его работы. Поэтому анализ существующих конструкции элеваторов с целью нахождения наиболее подходящего для автоматизации является актуальным. Рассмотрим конструкции элеваторов с целью определения наиболее подходящей для автоматизации его работы. Конструктивное исполнение элеватора зависит от диаметра захватываемых труб, от способа захватывания, массы трубы, технологии ремонтных работ. Этим объясняется многообразие конструкций трубных элеваторов, применяемых при ремонте скважин. К настоящему времени широкое применение получили три принципиальных типа трубных элеваторов: – элеватор, выполненный по балочной схеме, удерживающий трубу путем опоры ее торца на корпус элеватора, используется для муфтовых труб и для безмуфтовых с высадкой наружу (рис. 1 а, б). – элеватор, выполненный по балочной схеме, удерживающий трубу за ее гладкую часть клиньями, встроенными в корпус элеватора, используется для безмуфтовых труб с высадкой внутрь (рис.1 в). – элеватор, выполненный по втулочной схеме, удерживающий трубу путем опоры торца муфты трубы на опорный бурт внутри элеватора, используется для муфтовых труб (рис. 1 г). Рассмотрим конструкцию элеватора по принципиальной схеме балочного элеватора (рис. 1 а), как наиболее распространенную. Такие элеваторы могут быть одноштропные и двухштропные. Одноштропный элеватор (рис. 2) является грузоподъѐмным приспособлением, предназначенным для захвата трубы под муфту или замки и удержания на весу ее колонны в процессе спуска-подъемных работ, а так же при освоении и ремонте нефтяных и газовых скважин. Данный элеватор предназначен для эксплуатации в холодных и умеренно-холодных микроклиматических районах ГОСТ 15150-SS при температуре от −50 до +40 °С [1]. Корпус элеватора выполнен из высоколегированной стали методом штамповки, что значительно повышает прочность изделия по сравнению с традиционным литьем. Одноштропный элеватор работает следующим образом: при раскрытии элеватора для зажима трубы необходимо ручку 4 (рис.2) оттянуть на себя до упора. При этом ручка выходит из фиксирующего выступа, получая возможность поворота по часовой стрелке. Эксплуатация бурового оборудования После проделанной операции, зажим открывается, что дает возможность войти трубе в исходное положение для работы на буровой вышке. После фиксации трубы на зажиме, ручка поворачивается против часовой стрелки дожимается до упора корпуса элеватора. Недостатком данного элеватора является, зажим трубы с одного конца. При этом управлять перемещением трубы затруднительно, из-за возникающих больших сил инерции при движении (перемещении). Двухштропный элеватор типа ЭК. Двухштропный элеватор (рис. 3) предназначен для захвата и удержания на весу насосно-компрессорных труб в процессе спуско-подъемных операций при текущем и капитальном ремонте скважин. Также элеваторы применяются в умеренном и холодном макроклиматических районах. Обеспечение безопасной работы с элеваторами достигается введением в конструкцию штропа двухстороннего, за счет чего создается опрокидывающий момент необходимого направления. Двухштропный элеватор (рис. 3) работает следующим образом: для того, чтобы открыть затвор элеватора нужно ручку 3 повернуть направо, при этом затвор откроется. После открытия затвора труба помещается внутрь элеватора и ручка возвращается в исходное положение. Труба зафиксирована и элеватор готов к работе. Палец 4 служит для подвешивания на серьги, а также для перемещения элеватора. Недостатком данного элеватора (рис. 3) являются сложность запирающего устройства, его низкая надежность, обусловленная возможным самопроизвольным открытием элеватора. Двухштропный элеватор ЭХЛ 60-15. Двухштропный элеватор ЭХЛ 60-15 (рис. 4) предназначен для аналогичных работ и условий эксплуатации. Этот трубный элеватор состоит из двух блоков: – корпуса с захватывающей рамкой 1; – створки с механизмом закрывания 2. Створка крепится к корпусу шарнирным соединением в виде оси 3. Запирающее устройство, состоящее из захватывающего устройства, выполненного в виде рамки с вертикальными стойками. Корпус является основным элементом, принимая на себя большую часть нагрузок. Он выполнен в виде скобы (для удержания труб) с проушинами, передающий усилия на штропы. По краям элеватора установлены предохранители штропов 4, запирающие их в корпусе. В правой части элеватора есть проушины, между которыми вставляется серьга створки 2, запираемая осью 3. Недостатком данной конструкции является сложность конструкции и большая масса для выполнения ручных работ. Из анализа конструкций трубных элеваторов можно сделать вывод, что для автоматизации больше всего подходит элеватор ЭХЛ 60-15, т.к. он обеспечивает надежное удержание трубы, но является тяжелым для ручных работ. Автоматизация позволит исключить ручной труд. Конструкция этого элеватора позволяет достаточно просто разместить необходимые датчики для контроля положения запорных механизмов и наличия трубы в рабочем положении. Кроме того, данная конструкция наиболее удобна для применения передаточных механизмов, обеспечивающих автоматическое открывание и закрывание скобы. При автоматизации этого элеватора возможно снизить его массу и немного изменить конструкцию для большего удобства автоматизации. Эксплуатация бурового оборудования Устройства захвата труб для подъема в бурении обычно называются элеваторами, хотя для этих целей могут применяться зажимные патроны, резьбовые ниппели, вертлюжные пробки, хомуты и другие устройства. Элеваторы применяют для подвешивания на талевой системе или столе ротора бурильных или обсадных труб при выполнении СПО, а также для укладки труб. В установках с подвижным вращателем (верхний привод) элеваторы могут выполнять функции свинчивания-развинчивания и манипулирования трубами. Тип и конструкция труб определяет классификацию элеваторов по назначению. Например, элеваторы для бурильных труб, для обсадных труб, НКТ и штанг. Элеваторы для работы в установках с подвижным вращателем, для работы в составе комплекса АСП и т. д. Схемы трубных элеваторов приведены на рисунке 1. В установившейся практике бурения элеваторы подразделяют на створчатые, корпусные и автоматические. Створчатый элеватор состоит из двух шарнирно соединѐнных между собой створок с рукоятками. В каждой створке имеется проушина для штропа с запирающим устройством против его самопроизвольного выпадения. Элеватор закрывается защѐлкой с замковым устройством. При сведении рукояток створки соединяются, и подпруженная защѐлка одной створки находит на зуб второй створки. Чтобы открыть ненагруженный элеватор, надо оттянуть защѐлку и развести рукоятки со створками. Створчатые элеваторы применяются при небольшом весе бурильной колонны и работают, как правило, в паре с пневмоклиньями. Корпусной элеватор состоит из массивного литого или кованного корпуса с проушинами для штропов, дверцы и замка с пружиной. Масса корпусных элеваторов 72 - 135 кг. Корпуса и дверцы изготовляются из среднеуглеродистой низколегированной хромом и никелем конструкционной стали с ơ т ≥ 450 МПа. При ударе дверцы о корпус замок автоматически закрывается. Под нагрузкой элеватор не может самопроизвольно открыться, т.к. защѐлка прижимается посадочной поверхностью муфты трубы. Элеваторы для подвешивания бурильных и обсадных труб применяют при нагрузках 1250– 3200 кН. Это корпусные элеваторы типа ЭК диаметрами 114–426 мм и типа КМ диаметрами 89– 377 мм. Для нагрузок 320 –1250 кН и диаметров труб 48–127 мм применяют двуштропные литые элеваторы типа ЭТАД. Корпусной элеватор типа КМ (рисунок 2) состоит из корпуса 1 и створки 5. В левой части корпуса 1 элеватора укреплена защелка 2 с пружиной, удерживающая створку в закрытом положении. На створке шарнирно укреплена рукоятка 3 с эксцентриком, при повороте которой одновременно открываются защелка и створка элеватора. Шарнирные самозапирающиеся фиксаторы 4 в проушинах элеватора обеспечивают свободный ввод штропов в проушины и предотвращают самопроизвольное выпадение их в процессе работы. Для вывода штропов из проушин фиксаторы открывают вручную крючком. В верхней части корпус имеет предохранительную расточку, исключающую возможность выхода трубы из элеватора, находящегося под нагрузкой при спуско-подъѐмных операциях; опорные поверхности элеватора под муфту трубы обрабатывают токами высокой частоты до твѐрдости 45 –50 HRC. Рисунок 1 - Схемы трубных элеваторов: а - балочный для труб с муфтами; б - балочный для безмуфтовых труб с наружной высадкой; в - балочный для безмуфтовых труб гладких; г - втулочный Эксплуатация бурового оборудования Рисунок 2 - Корпусный элеватор типа KM: 1 - корпус; 2 - защелка; 3 - рукоятка; 4 - предохранитель штропа; 5 – створка Элеваторы для подвешивания колонны бурильных или обсадных труб на столе ротора имеют особенности. Литой полуавтоматический элеватор ЭАЛ конструктивно относится к двустворчатому (бескорпусному) и состоит из двух створок , замкового устройства, осей шарнира и пружины. Замковое устройство размещено на левой створке элеватора и состоит из защѐлки, оси, пружин, замка и оси. Правая створка на передней части имеет бурт полукруглой формы, который в момент закрытия элеватора входит в паз корпуса и тыльной частью упирается в защѐлку. Благодаря двум пружинам 5 и 13 защѐлка всѐ время находится в прижатом к корпусу положении. Ось 9, соединяющая обе створки, наклонена к вертикальной оси элеватора под углом 10°, что исключает самопроизвольное открытие элеватора под нагрузкой. Назначение наклонной оси ещѐ и в том, что после открытия элеватора под действием пружины он, поворачиваясь на штропах, отталкивается от трубы, т.е. не нужно дополнительного усилия рабочего. Чтобы штропы не выходили из проушин, имеются предохранители 7, закреплѐнные пальцем 6. Этот тип элеватора используется при спуско-подъѐмных операциях с клиновым захватом. Посадка элеватора на ротор не допускается. При спуске в скважину обсадных труб используют литые элеваторы ЭН и кованные элеваторы ЭО и ЭКО, которые относятся к типу корпусных элеваторов с одной створкой (дверкой). Автоматический элеватор ЭА-320 предназначен для автоматического захвата и освобождения колонны бурильных труб при выполнении спуско-подъѐмных операций с помощью комплекса АСП. Элеватор может захватывать стальные бурильные трубы диаметрами 89, 114, 127 и 140 мм и легкосплавные трубы диаметрами 114, 129 и 147 мм. Масса элеватора 2475 кг. Элеватор для подвижного вращателя установки УРБ-2А-2 предназначен для спуска и подъема, а также свинчивания и развинчивания и укладки труб. Элеватор состоит из следующих основных деталей: шпинделя 11, корпуса 5, сменного штуцера 4, обоймы 3 и затвора 12. Элеватор крепится на шпинделе вращателя с помощью двух полуколец 9, штуцера 4 и болтов 6. В нижней части корпуса 5 при помощи осей 2 закреплена обойма 3, в пазу которой установлен затвор 12. Величина хода затвора в обойме ограничивается упорами 15. Для захвата трубы элеватором необходимо совместить отверстия обоймы и затвора и в образовавшееся отверстие ввести муфту трубы до совмещения ее верхних лысок с прорезью затвора, затем закрыть затвор. Затвор в закрытом и открытом положениях фиксируется двумя пружинными фиксаторами, кроме того, при вращении он удерживается в закрытом положении центробежной силой. Во время спуско-подъемных операций корпус 5 находится в нижнем положении по отношению к шпинделю 11 и своими кулачками ложится на фланец шпинделя. В этом положении корпус может свободно проворачиваться относительно шпинделя, что обеспечивает безопасность работ, так как исключается вращение инструмента при случайном включении вращателя. При наращивании инструмента для соединения штуцера с бурильной трубой необходимо шпиндель 11 опустить вниз относительно корпуса 5 так, чтобы резьбовой конец штуцера зашел в Эксплуатация бурового оборудования муфту трубы, и дать вращение шпинделю, в процессе чего штуцер навернется на трубу. При этом кулачки корпуса 5 находятся выше кулачков шпинделя 11 и не препятствуют вращению шпинделя относительно корпуса. Во время бурения крутящий момент со шпинделя вращателя передается через шпиндель элеватора, болты 6 и штуцер 4 на бурильную трубу. Для свинчивания и развинчивания инструмента необходимо установить шпиндель в среднее положение относительно корпуса 5 так, чтобы кулачки шпинделя и корпуса находились в зацеплении. В этом положении крутящий момент от шпинделя вращателя посредством шлиц передается через шпиндель элеватора, корпус 5, оси 2, обойму 3 и затвор 12 на бурильную трубу. Среднее положение шпинделя относительно корпуса устанавливается совмещением кромки кожуха с проточкой корпуса. При укладке труб в горизонтальное положение обойма 3 элеватора вместе с затвором поворачивается вокруг осей 2. Параметрическая классификация элеваторов базируется на величине двух параметров: грузоподъемность и диаметр труб. Грузоподъемность элеватора - это суммарная предельно допустимая на него нагрузка, включает вес колонны и дополнительные динамические нагрузки. Штропы, на которых подвешивается элеватор, служат промежуточным звеном между элеватором и талевым крюком. Грузоподъемность штропов определяется аналогично грузоподъемности элеватора. Рисунок 3 - Элеватор для труб Æ 60,3 мм. 1-крышка; 2-ось; 3-обойма; 4- сменный штуцер к элеватору; 5-корпус; 6-болт; 7-прокладка; 8-кольцо; 9- полукольцо; 10-кожух; 11-шпиндель; 12-затвор; 13- пружина; 14-шарик; 15-упор. Исходные данные: Порядок выполнения: Расчет элеватора. Расчет элеватора проводится с учетом динамичности. Принимая коэффициент динамичности 1,25, будем иметь расчетную нагрузку на элеватор Q p =1,25·Q. Нагрузка Q распределяется на корпус и затвор элеватора пропорционально центральным углам обхвата a 1 и a 2 (рисунок 4). Если нагрузки на корпус и затвор элеватора обозначим соответственно через Р 1 и Р 2 , то Р 1 =Q p /360°·a 1 , Р 2 =Q p -Р 1 В элеваторе рассчитывается затвор, нагруженный сплошной нагрузкой Р 2 (рисунок 5), который следует рассматривать как балку на двух опорах; одной из опор является опорная поверхность затвора, а другой – шарнир. Опасным в затворе является сечения I-I. Обозначив реакции опор соответственно через R 1 и R 2 , имеем R 1 =Р 2 ·(2·с+b)/2·l. Сечение I-I подвергается изгибу силой R 1 на плече n. Напряжение в сечении I-I s=М изг /W, Эксплуатация бурового оборудования где М изг =R 1 ·n; W=b·h 2 /6. Корпус элеватора (рисунок 6) обычно рассчитывается как балка на двух опорах, нагруженная сплошной нагрузкой Р 1 и двумя сосредоточенными нагрузками. Вследствие изогнутой формы корпус под действием внешних сил подвергается одновременно изгибу и кручению. Изгибающий и крутящий моменты сечения I-I определяются по формулам: М изг =Q p /2·l/2·sin×a-R 1 ·l 1 -Q p /360°·(a+j)·x·sin·[(a+j)/2], М кр =Q p /2·(l/2·cos×a-r)+R 1 ·r 2 +Q p /360°·(a+j)·[r-x·cos·([a+j]/2)], где Q p /2 – реакция в точке подвеса элеватора; l – расстояние между точками подвеса; R 1 – сила действия затвора на корпус; a - часть угла обхвата, находящаяся выше горизонтальной оси элеватора; j - часть угла обхвата, находящаяся ниже горизонтальной оси элеватора (определяется графически); r – расстояние от точки приложения силы R 1 до данного сечения – плечо изгибающего момента от силы R 1 (определяется графически); x – расстояние от центра тяжести площади передачи давления части труб, заключенной в угле (a+j), до центра элеватора; определяется по формуле x=38,19·(a 3 -a 1 3 )/(a 2 -a 1 2 )·[(sin×(a+j)/2)/((a+j)/2), где а – наружный радиус; а 1 – внутренний радиус кольцевой площади передачи давления на элеватор. Пренебрегая кручением, определим напряжения от изгибающего момента. Максимальное нормальное напряжение определяется по формуле s=М изг /W, где W – момент сопротивления сечения корпуса. Изгибающий момент М изг достигает максимального значения при a=90°, т.е. в центральном сечении корпуса. Подставив в формулу напряжения значение изгибающего момента при a=90°, находим напряжение в центральном сечении. Проушина корпуса рассчитывается по наиболее опасному сечению II-II (рисунок 7). Изгибающий момент в сечении проушины определяется по формуле М изг =Q p /2·r·cosa, где r – радиус проушины; a - переменный угол. Момент сопротивления переменного сечения определяется по формуле W=b·(h-r·sin×a) 2 /6, где b – ширина сечения (проушины); h – высота от центра проушины до верхнего торца проушины. Нормальное напряжение s изг =М изг /W=6·Q p ·r·cos×a/2·b·(h-r·sin×a) 2 Затем находим максимальное нормальное напряжение, возникающее в проушине корпуса. |