Оборудование для бурения скважин


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


А. А. Ладенко








ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН




Учебное пособие











Инфра-Инженерия Москва — Вологда 2019

УДК 620.193:622.24.05
ББК 33.36
   Л 15




ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11

Рецензенты:
Д. Г. Антониади — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой нефтегазового дела им. проф. Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ»;
Е. П. Запорожец — д-р техн. наук, проф. кафедры оборудования нефтяных и газовых промыслов ФГБОУ ВО «КубГТУ»






     Ладенко А. А.
Л 15 Оборудование для бурения скважин: учебное пособие / А. А. Ладенко. — М.: Инфра-Инженерия, 2019. — 180 с.



      ISBN 978-5-9729-0280-4




      Предложен обзор бурового оборудования и рассмотрены существующие методы расчета его параметров. Пособие позволит студентам приобрести навыки инженерных расчетов, необходимых для проектирования и обеспечения функционирования бурового оборудования.
      Предназначено для студентов направления 21.03.01 «Нефтегазовое дело», аспирантов, а также специалистов нефтегазовой отрасли.



© Ладенко А. А., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019




      ISBN 978-5-9729-0280-4

2

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................5
1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
   БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ............................6
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК..................10
   2.1. Расчет на статическую прочность............12
   2.2. Расчет на сопротивление усталости..........13
   2.3. Эквивалентная нагрузка.....................15
3. БУРОВЫЕ ВЫШКИ...................................17
   3.1. Определение нагрузок и опорных реакций, действующих на элементы А-образной вышки........24
   3.2. Расчет устойчивости вышечно-лебедочного блока буровой установки по колесному ходу.............34
      Определение ветровых нагрузок и моментов.....37
   3.3. Расчет перемещения вышечно-лебедочного блока в пределах куста................................43
   3.4. Определение параметров буровой вышки.......49
Вопросы для самоконтроля...........................53
4. СПУСКОПОДЪЕМНЫЙ КОМПЛЕКС........................55
   4.1. Расчет кронблока на прочность..............58
   4.2. Особенности расчет оси талевого блока на прочность .... 65
   4.3. Буровая лебедка............................65
      4.3.1. Определение скорости подъема крюка....69
      4.3.2. Расчет на прочность подъемного вала буровой лебедки..............................73

3

       4.3.3. Расчет тормозов буровой лебедки.........81
       4.3.4. Обслуживание системы СПК................83
Вопросы для самоконтроля..............................91
Задачи для самоконтроля...............................92
5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВРАЩЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ...............................................95
   5.1. Вертлюг.......................................96
       5.1.1. Расчет ствола вертлюга на прочность....102
       5.1.2. Расчет главной опоры вертлюга..........110
   5.2. Ротор........................................112
       5.2.1. Определение основных параметров ротора.122
       5.2.2. Расчет быстроходного вала на прочность.125
Вопросы для самоконтроля.............................133
Задачи для самоконтроля..............................133
6. НАСОСНЫЕ КОМПЛЕКСЫ................................137
   6.1. Расчет на прочность гидравлической части насоса.151
   6.2. Расчет приводной части насоса на прочность...162
Вопросы для самоконтроля.............................165
Задачи для самоконтроля..............................166
7. БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ...................................166
   7.1. Конструкция и характеристика бурильных труб..166
   7.2. Расчет колонны бурильных труб на прочность при турбинном способе бурения..................166
Вопросы для самоконтроля.............................176
Задачи для самоконтроля..............................177
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................178

4

        ВВЕДЕНИЕ



     Достижение высокого уровня добычи нефти и природного газа требует соответствующего увеличения объема буровых работ, а следовательно, и затрат на изготовление бурового оборудования и инструмента.
     Поэтому большое значение приобретает задача повышения надежности и долговечности оборудования как одно из важнейших направлений увеличения производительности и снижения материальных и денежных затрат на эксплуатацию оборудования и инструмента.
     Буровое оборудование эксплуатируется в специфических и сложных условиях. Буровые работы осуществляются системой тесно взаимосвязанного оборудования, в которой отказ или неисправность одного элемента препятствует нормальной работе всей системы.
     Для повышения надежности, совершенствования конструктивных и эксплуатационных параметров буровых установок, применяемых для бурения скважин, необходим правильный расчет деталей, узлов и всего оборудования в целом на прочность при проектировании.
     Предлагаемые методы расчетов на прочность построены на основе современных представлений о несущей способности деталей машин с учетом особенностей нагружения, накопившегося опыта проектирования и эксплуатации отечественных и зарубежных буровых установок.

5

        1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

     Буровые установки (БУ) предназначены для сооружения скважин. Конструкция скважины во многом определяет типоразмер БУ. Буровая установка состоит из отдельных сооружений, агрегатов и механизмов. Процесс бурения представляет собой отдельные последовательные или повторяющиеся операции, которые выполняет буровая бригада с помощью механизмов. По функциональному назначению всё оборудование можно условно подразделить на две группы: подземное и наземное. Если подземное оборудование предназначено непосредственно для бурения скважины, то наземное приводит его в движение и обслуживает его работу.
     Бурильная колонна, выполняет функцию непосредственного углубления скважины и расширения ствола, состоит из бурильных труб, забойного двигателя и породоразрушающего устройства, работает в наиболее тяжелых условиях. Вращающаяся бурильная колонна подвергается большим растягивающим или сжимающим нагрузкам, кручению и циклическому изгибу. Главное требование к ней — обеспечение несущей способности и надежности её элементов.
     Обсадная колонна состоит из труб длиной 9-13 метров одинакового наружного диаметра с различными толщинами стенок. В процессе эксплуатации обсадные колонны подвержены наружному и внутреннему давлению, а так же осевому растяжению от собственного веса. Равнопрочность колонны по длине достигается путем подбора по расчету труб с различными толщинами стенок из сталей разных групп прочности.
     Наземное оборудование монтируют двумя способами: блочно-агрегатным и крупноблочным и предназначено в основном для выполнения спускоподъемных операций (СПО), вращения колонны, обеспечения промывки скважины буровыми растворами. Наземное оборудование можно разделить на две подгруппы: основное и вспомогательное.
     К основному оборудованию относятся вышки, буровые насосы, роторы, вертлюги и оборудование подъемного комплекса. Вспомогательное оборудование дополняет основное и облегчает его работу. Эта группа состоит из компрессоров, циркуляционной системы, оборудования устья скважины и СПО, измерительных и пускорегулирующих устройств.
     Вышка или мачта — основное несущее сооружение буровой установки. Предназначена вышка для монтажа кронблока, подвести талевой системы,

6

размещения средств механизации СПО. В процессе эксплуатации, вышки воспринимают все нагрузки от веса бурильных или обсадных колонн и пульсирующие ветровые нагрузки. Хотя вышки представляют собой стационарную конструкцию (отсутствуют движущиеся части), они подвержены износу в процессе эксплуатации. Специфичность износа заключается в том, что несущая способность конструкции со временем значительно снижается. Это связано с атмосферной коррозией стали под напряжением. Особенно опасна коррозия в сочленениях и местах сварки. Поэтому повышение надежности и долговечности вышек необходимо связывать с защитой их от коррозии.
      Подъемный комплекс БУ обеспечивает выполнение наиболее трудоемких в бурении спускоподъемных операций, производит подачу долота по мере углубления ствола, он необходим для ликвидации осложнений и аварийных ситуаций в скважине. Подъемный комплекс состоит из трех основных узлов: талевой системы, буровой лебедки и силового привода. К агрегатам подъемного комплекса предъявляются повышенные требования с точки зрения надежности. Большая часть ответственных деталей при работе подвержены действию переменных нагрузок и могут разрушиться от усталости металла. Поломки ответственных деталей приводят к авариям. В этой связи к оборудованию при проектировании и изготовлении Госгортехнадзором предъявляются повышенные требования.
      Буровые лебедки — один из основных узлов подъемного комплекса. Назначение буровой лебедки — создание тягового или тормозного усилия в ведущей ветви талевого каната. Лебедки передает вращение ротору, создают усилие на машинных ключах, подтаскивают и поднимают грузы.
      Талевые системы служат для уменьшения натяжения ведущей ветви каната, навитого на барабан лебедки. Представляет собой полиспаст и состоит из неподвижного и подвижного блоков соединенных талевым канатом.
      Талевые канаты — самый ответственный элемент подъемного комплекса. Канат подвергается растяжению и переменному изгибу. На выносливость талевых канатов значительно влияет качество смазки.
      В процессе эксплуатации талевая система воспринимает переменные нагрузки, вследствие чего в ответственных деталях могут возникать усталостные трещины. Для предупреждения усталостного разрушения деталей системы необходимо периодически проводить дефектоскопию.
      Привод обеспечивает работу всех узлов и агрегатов БУ. По виду первичного источника энергии приводы бывают дизельными, газотурбинными и электрическими. Различают два вида привода— основной и вспомогательный. Привод лебедки, насосов, ротора — основной (силовой). Привод компрессоров,

7

глиномешалки, вибросита ит.д. — вспомогательный. Применение и использование разных типов привода мотивируется конкретными условиями работы установки и конструкторскими решениями при её проектировании.
      Вертлюг играет роль соединительного звена между талевой системой и бурильной колонной, воспринимает две нагрузки: от веса бурильной колонны и от внутреннего давления бурового раствора. Надежность вертлюга зависит главным образом от работоспособности подшипникового и сальникового узлов.
      Ротор приводит во вращение колонну бурильных труб путем передачи крутящего момента ведущей трубе или путем восприятия активного момента забойного двигателя; предназначен для удержания на столе бурильной или обсадной колонн; используется при ловильных работах. Ресурс работы ротора зависит от работоспособности главной опоры, воспринимающей реакцию от нагрузок в зубчатом соединении и осевую нагрузку от трения ведущей трубы с зажимом стола.
      Буровые насосы являются преобразователями топливной или электрической энергии двигателей привода в гидравлическую энергию потока бурового раствора. Насосы эксплуатируются в очень тяжелых и неблагоприятных условиях, что определяется в основном физическими и химическими свойствами буровых растворов. Детали и узлы насосов подвержены интенсивному абразивному износу. На работоспособность деталей насосов влияет коррозионная активность буровых растворов. В работе буровых насосов нередки кратковременные перегрузки от резкого повышения давления при осложнениях в стволе скважины. Тяжелые условия эксплуатации не позволяют в настоящее время обеспечить достаточную надежность насосов. Этим вызвана необходимость устанавливать в насосной группе БУ дополнительный резервный насос.
      Оборудование пневмосистемы предназначено для дистанционного оперативного управления исполнительными механизмами БУ. Источник энергии для привода оборудования пневмосистемы — сжатый воздух, получаемый с помощью компрессоров. Для накопления запаса сжатого воздуха служат воздухосборники. Надежность работы пневмосистемы зависит от качества осушки воздуха.
      Оборудование циркуляционной системы предназначено для приготовления, транспортировки и очистки раствора. Состоит из вибросит, глиномешалок, гидромешалок, дегазаторов, гидроциклонов, пластоотделителей, насосов, пере-мешивателей, емкостей, желобных систем и т. д. Все виды оборудования подвержены в процессе эксплуатации абразивному и коррозионному износу.

8

     Оборудование устья скважины кроме непосредственной герметизации должно позволять управление скважиной путем создания противодавления на продуктивные пласты.
     В целом условия эксплуатации БУ характеризуются постоянным воздействием на узлы и детали статических и циклических нагрузок. Допускаются кратковременные статические перегрузки, но при этом необходимо, чтобы результирующие напряжения в деталях не превышали предел текучести материала. Циклические перегрузки иногда оказываются длительными, что вызывает усталостное разрушение конструкций. В узлах и деталях одновременно возникают нормальные и касательные напряжения как статические, так и переменные. Нарушение характеризуется асимметричным циклом или сложным напряженным состоянием. При этом многие детали работают в непосредственном контакте с поверхностно-активными коррозионными средами, которые значительно ускоряют их разрушение при одновременном воздействии переменных нагрузок. Абсолютные потери металла вследствие коррозионного растворения не играют существенной роли. Ресурс оборудования часто определяют местные коррозионные повреждения, которые локализуются в наиболее напряженных зонах и вызывают зарождение усталостных трещин.

9

        2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК

     Высокая эффективность бурения скважин может быть достигнута, если качество бурового оборудования отвечает определенным требованиям. Под качеством бурового оборудования следует понимать степень удовлетворения его всех требований проводки скважин, монтажа и демонтажа бурового оборудования, транспортировки его с точки на точку бурения, сохранности в периоды ожидания бурения, безопасности обслуживания во всех фазах использования, надежности и соответствие требованиям защиты окружающей среды.
     Надежность — свойство объекта (буровой установки, ее любого агрегата или элемента) выполнять необходимую задачу, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, транспортировки и хранения.
     Надежность — комплексное свойство, которое в зависимости от объекта и условий его эксплуатации может характеризоваться: долговечностью, безотказностью, ремонтопригодностью, готовностью к работе, способностью монтажа — демонтажа, транспортабельностью и сохранностью во всех фазах ее использования.
     Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
     Наработка — продолжительность или объем объекта.
     Безотказностью называется свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки в определенных условиях эксплуатации.
     Ремонтопригодностью объекта называется его приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов и повреждений, устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов, которые характеризуются затратами труда, времени и средств.
     Буровое оборудование должно обеспечивать сохранность окружающей среды от загрязнения и порчи, как в процессе бурения, так и при монтаже и демонтаже и транспортировках, а также сохранность земных недр.

10

     При разбуривании нового нефтяного или газового месторождения большое значение имеет правильность выбора типа буровых установок, которые для данного района окажутся наиболее экономичными.
     Исходные данные при выборе наиболее рационального класса буровой установки — проектная глубина и конструкция скважин.
     Прочность оборудования, его безотказность в работе, залог успешного проведения бурения скважин. Поэтому прочность — основной вопрос в конструировании оборудования.
     Прочностью конструкции (детали) называется ее способность сопротивляться действию эксплуатационных нагрузок в течение заданного срока службы, не получая под их действием таких изменений, которые могли бы нарушить нормальную работу машин в целом.
     Применительно к буровому оборудованию представляют интерес такие изменения, как разрушение, потеря устойчивости, перемещение, деформации, износ и т. д. Возникая под действием нагрузок, они могут привести машину или узел в неработоспособное состояние на некоторый период времени, необходимый на восстановление рабочего состояния или соответствующую замену.
     Критерием надежности элементов бурового оборудования является отношение предельно допустимой нагрузки к действующей.
     Разрушение или потеря устойчивости являются недопустимыми изменениями. Перемещение, деформации, износ и другие подобные изменения всегда сопровождают нагруженные и определенным образом связанные между собой детали машин. Их значения должны быть ограничены предельными величинами, характерными для данной конструкции, если их превышение приводит к выходу машины из строя. Предельные значения таких изменений и соответствующие предельные нагрузки зависят от особенностей конструкции и в каждом конкретном случае подлежат определению в зависимости от влияющих факторов.
     Критерием надежности элементов бурового оборудования, является отношение предельно допустимой нагрузки к действующей или сравнение величин пропорциональных предельным и действующим нагрузкам.
     Детали буровых установок для предупреждения разрушения должны обладать статической прочностью и прочностью при переменных напряжениях (выносливостью).
     Сложное напряженное состояние испытывают детали бурового оборудования, при котором определяются приведенные напряжения и коэффициенты заноса по статической прочности или по сопротивлению усталости.

11

     Способность детали воспринимать эксплутационные нагрузки в течение заданного срока службы называется прочностью. Специфические условия работы бурового оборудования вызывают такие изменения в нем, как разрушение, потеря устойчивости, износ, перемещения, деформации и т. п.
     Разрушение конструктивных элементов бурового оборудования или потеря их устойчивости является недопустимым изменением.
     Критерием надежности элементов бурового оборудования является отношение предельно допустимой нагрузки к действующей. В большинстве случаев граница допустимых изменений определяется по разрушению или потере устойчивости, например, буровой вышки.
     Детали бурового оборудования в процессе эксплуатации испытывают сложное напряженное состояние, при котором определяются приведенные напряжения и коэффициенты запаса по статической прочности или по сопротивлению усталости.

    2.1. Расчет на статическую прочность

     Расчет оборудования на статическую прочность базируется на теории прочности, рассматривающей одноосное напряженное состояние.
     В общем случае при статическом напряжении коэффициент запаса прочности определяется как отношение предельно допустимой нагрузки Qₙₚ соответствующее предельному состоянию конструкции Q к расчетной нагрузке

n = Q > [n].                       (2.1)

     Предельно допустимая нагрузка определяется по несущей способности конструктивного элемента бурового оборудования.
     Расчетная нагрузка при расчете на статическую прочность принимается равной максимальному усилию, возникающему в элементах бурового оборудования с учетом динамики приложения нагрузки и возможностей привода. Конкретные значения и методика их определения для различных деталей бурового оборудования приведены в различных разделах учебного пособия. Однако за основу при назначении расчетной нагрузки принимается следующее: для ротора и вертлюга — максимальная грузоподъемность их узлов, при расчете ротора также учитывается максимальный статический момент на столе ротора, для бурового насоса учитываются коэффициенты перегрузки по моменту и давлению.


12