11. Автоматизация и механизация буровых работ

регулятор Грицая-Оловянова

Для плавной и равномерной подачи долота при бурении и изменения этой подачи в соответствии с изменяющимися условиями его работы применяются автоматы и регуляторы. Кроме того, современная техника стремится полностью механизировать тяжелый труд буровой партии.

При бурении с плавной подачей долото имеет равномерный износ, наибольшую производительность и бурит вертикальную скважину.

При неравномерной подаче долота рабочие кромки его на отдельных участках или по всей линии соприкосновения рабочей кромки с горной породой могут терять свою способность эффективно разрушать ее, вследствие чего при разбуривании пород повышенной крепости и залегающих под определенным углом будет происходить уход долота в сторону от оси скважины и появление в бурильных трубах повышенных напряжений, могущих привести трубы к поломке. Равномерная подача долота при бурении от руки возможна, но сопряжена с большой затратой физических сил и нервного напряжения бурильщика.

В современных условиях бурения, когда долото работает на забое десятки часов, требующих от некоторых вахт работы непрерывного бурения, о равномерной ручной подаче долота не может быть и речи. Здесь безусловно требуется введение механизации процесса подачи долота.

При механизированной подаче долота:

а) поддерживается равномерное заданное давление долота на забой, отвечающее свойствам проходимых горных пород, прочности бурильных труб и всего инструмента в целом;

б) механическая скорость бурения по сравнению с ручной подачей более высокая при одинаковом среднем давлении долота на забой;

в) увеличивается среднее давление долота на забой по сравнению с ручной подачей при одинаковой прочности бурильных труб благодаря равномерной и спокойной работе долота на забое;

г) качественно проходит процесс бурения при одной и той же квалификации бурильщиков; при этом труд бурильщика значительно облегчается;

д) уменьшается кривизна ствола скважины;

е) более полноценно используется долото, что увеличивает время пребывания его на забое и повышает техническую скорость бурения.

При выборе механизма подачи долота или его проектировании следует иметь в виду:

1) возможность изменять величину подачи долота при бурении в пределах от 0 до 30м/час и при расширении скважины до 50 м/час;

2) при работе регуляторов или автоматов возможность обеспечить синхронность между скоростью подачи долота и скоростью разбуривания породы, зависящей от характера породы, давления долота на забой, числа оборотов долота, его состояния и производительности грязевых насосов;

3) наличие предохранительного устройства, автоматически отключающего буровой мотор при значительных перегрузках;

4) обеспечение надежной и безотказной работы регулятора подачи или автомата.

В бурении известны три группы регуляторов:

1) фрикционного типа, работающие путем воздействия тем или иным способом на тормозной рычаг подъемного барабана;

2) с принудительной подачей, работающие от редуктора с электромотором небольшой мощности и связанные с подъемной лебедкой цепной передачей, а мотор редуктора с буровым мотором - электрически;

3) гидравлические, связанные с подъемной лебедкой также цепной передачей и работающие под влиянием веса бурового инструмента.

К первой группе регуляторов относятся конструкции, действующие непосредственно на рычажное устройство ленточного тормоза подъемной лебедки. К ним относятся грузовой регулятор системы Шахназарова и различные электромагнитные и гидравлические устройства.

Все они конструктивно просты, но применение их не дает плавного изменения или поддержания скорости подачи долота при бурении. Промышленные испытания показали, что инструмент во время работы регуляторов таких типов проскальзывает и срывается, вследствие чего не обеспечивается плавная подача долота.

Сравнительные испытания регуляторов фрикционного типа и ручной подачи инструмента, а также анализ результатов этих испытаний показали, что преимущество в работе имеет ручная подача инструмента. Вследствие этого группа регуляторов фрикционного типа применения в бурении не получила.

Ко второй группе относятся автоматический бурильщик проф. М. М. Скворцова, автомат ХЭМЗ (Харьковского электромашиностроительного завода) и автомат Островского и Ратмана.

Автоматический бурильщик Скворцова

Автоматический бурильщик проф. М. М. Скворцова явился первым автоматом для подачи долота, изобретенным в   и в свое время получившим широкое применение в бурении. Он применялся в период 1929-1935 гг. и устанавливался почти на каждой буровой промыслов. Такого распространения, к сожалению, не получил ни один автомат более поздних конструкций, выпущенных заводами, за исключением регулятора подачи долота Грицая и Оловянова. В настоящее время автомат проф. М. М. Скворцова не применяется вследствие ряда недостатков.

Автомат проф. М. М. Скворцова сыграл исключительную роль в автоматизации бурения, и его следует считать основоположником автоматического бурения в . Он впервые показал возможность бурения практически вертикальных скважин и стал основой - разработки последующих конструкций автоматов.

К третьей группе регуляторов относятся регуляторы, работающие от действия веса инструмента и состоящие из поршневого механизма и дроссельного устройства.

Наилучшей конструкцией из этой группы регуляторов следует считать гидравлический регулятор Оловянова и Грицая. Конструктивно он прост, в работе надежен и дает хорошую характеристику подачи долота.

Гидравлический регулятор Грицая и Оловянова

Гидравлический регулятор подачи Грицая и Оловянова РПГ2-2 устанавливается на специальном фундаменте за лебедкой, рядом с редуктором или паровой машиной. Цепное колесо 4, сидящее на коленчатом валу 3 регулятора, соединяют цепью с цепным колесом г - 24, сидящем на промежуточном валу лебедки. При вращении коленчатого вала перемещаются поршни в цилиндрах 2, закрепленных в раме 7 таким образом, что они могут качаться вокруг своих осей 5. Цилиндры заполнены маслом, для заливки которого служат лубрикаторы 6. Для движения поршня в цилиндре необходимо, чтобы масло перетекало из одной части цилиндра в другую. От каждого конца каждого цилиндра к крану управления 7 выведено по одной трубке. Поворачивая рукоятку этого крана, можно установить любую желаемую скорость перетекания масла и, следовательно, любую скорость вращения коленчатого вала. Перед началом бурения, когда долото висит над забоем, включают кулачковую муфту на лебедке, кран регулятора закрывают и бурильщиц отпускает тормозной рычаг лебедки. При этом вес инструмента передается на вал регулятора подачи и создает повышенное давление масла в одной части каждого цилиндра. Затем кран регулятора понемногу открывают, в результате чего масло начинает перетекать через него, вал регулятора приходит во вращение и бурильный инструмент медленно опускается на забой скважины.

Рассмотрим схему регулятора, представляющего собой шатунно-кривошипный механизм, при работе одного цилиндра.

При спуске инструмента на окружности, описываемой пальцем кривошипа, возникает тангенциальная сила Т, которая при разложении по направлениям шатуна и кривошипа дает слагающую по шатуну силу Р.

Это означает, что при таком положении кривошипа отсутствует сила, действующая по шатуну, которая могла бы уравновесить силу Т. Иначе говоря, в этот момент инструмент останется неуравновешенным и может произойти быстрое опускание инструмента, на некоторую величину, пока кривошип не перейдет свое мертвое положение, а поршень не станет двигаться в обратную сторону, прогоняя через дроссельный клапан находящуюся перед ним жидкость. В это время инструмент будет удерживаться на весу давлением жидкости с другой стороны поршня.

Из рассмотренного видно, что при одном цилиндре в регуляторе спуск инструмента происходил бы неравномерно. В мертвых положениях кривошипа спуск происходил бы скачками.

Для равномерной работы в рассматриваемом регуляторе предусмотрены два цилиндра, расположенные под углом 90°. Когда кривошип по отношению к шатуну одного цилиндра подходит к мертвому положению, по отношению к шатуну другого цилиндра он станет под углом, близким к прямому, и вес инструмента передастся на другой цилиндр. Движение поршня в цилиндре при равномерной угловой скорости кривошипа, имеющей приблизительно место в описываемом регуляторе, происходит по синусоиде, т. е. максимальная скорость его достигается около середины хода, затем постепенно убывает, обращаясь в нуль в конце хода.

При определенном открытии дроссельного клапана и при давлении, какое создается в середине хода поршня, пропускается известное количество жидкости в единицу времени, чему соответствует и определенная угловая скорость кривошипа, а следовательно, и подача долота. Чтобы угловая скорость кривошипа оставалась постоянной и тем самым постоянной оставалась и подача долота, нужно, чтобы в последующие моменты количество жидкости, пропускаемой при том же открытии клапана, уменьшалось.

На основании вышеизложенного с уменьшением угла а увеличивается сила, передаваемая шатуном поршню, т. е. увеличивается давление последнего на жидкость и, следовательно, увеличится количество вытесняемой через дроссельный клапан жидкости. Чем ближе будет подходить поршень к концу хода, тем больше будет увеличиваться давление и тем большее количество жидкости будет продавливаться через дроссельный клапан, т. е. тем большее количество жидкости будет вытесняться из цилиндра.

При переходе долота из одного пласта в другой, различные по твердости, скорость подачи долота должна быть изменена, что выполняется бурильщиком регулировкой кранов.

Автомат ХЭТЗ

Автомат ХЭТЗ предназначен для регулировки подачи инструмента при бурении в зависимости от величины нагрузки бурового мотора.

Автомат состоит из червячного редуктора с цепной передачей 7, идущей к трансмиссионному валу подъемной лебедки, мотора подачи 2, соединенного муфтой с валом червячного редуктора, мотор-генераторного агрегата с возбудителем, смонтированных на общей плите 3, магнитной станции регулятора подачи 4 и переключателя для переключения буровых моторов на работу по подъему или на работу при бурении (вмонтированного в пульт управления 5).

Регулирование подачи долота при бурении осуществляется электрическим реле, включенным в цепь ротора бурового мотора.

В указанной схеме в качестве вспомогательного двигателя подачи применен двигатель постоянного тока. Поскольку обычно буровая установка питается переменным током, для питания этого двигателя применен специальный мотор-генераторный агрегат, состоящий из приводного асинхронного электродвигателя, генератора постоянного тока и возбудителя, служащего для питания цепей возбуждения обеих машин постоянного тока.

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока включена в цепь мостика, плечи которого образованы четырьмя равными по величине сопротивлениями. Одно из четырех плеч мостика коротко замкнуто передним нормально замкнутым контактом токового реле. Если нагрузка бурового мотора менее установки этого реле, то равновесие плеч мостика будет нарушено. При этом генератор постоянного тока возбуждается так, что двигатель подачи вращается в сторону подачи инструмента на забой скважины.

Скорость подачи при этом будет полной. Если породы потребует меньшей мощности, то возможно, что и при такой скорости подачи нагрузка бурового мотора не превысит установленной для реле. Если долото перейдет в породу средней твердости, то скоро нагрузка бурового мотора превзойдет ту нагрузку, которую мы установили на реле для поддержания при бурении. При этом реле разомкнётся.

Так как сопротивления, образующие плечи мостика, равны по величине, то установится равновесие и ток через обмотку возбуждения генератора постоянного тока перестанет протекать. Обороты двигателя подачи станут быстро уменьшаться. Однако по этой причине нагрузка бурового мотора упадет, контакт реле снова замкнется, скорость двигателя подачи снова возрастет и т. д.

Путем периодического замыкания и размыкания реле скорость подачи должна будет регулироваться в достаточно широких пределах. Только при очень больших перегрузках бурового мотора, возникающих при резком переходе из одной породы в другую, замыкается задний контакт реле. Соответственно меняется полярность зажимов якоря генератора и, следовательно, соответственно меняется направление вращения двигателя подачи. Такое реверсирование этого двигателя необходимо для того, чтобы еще более увеличить быстроту действия регулятора подачи.

Регулятор подачи снабжен также предохранительным устройством, представляющим собой токовое максимальное реле РМ, которое включено в цепь статора бурового мотора.

В случае, когда нагрузка бурового мотора во время одного из резких толчков нагрузки приблизится к предполагаемому пределу прочности бурильного инструмента, реле автоматически отключает буровой мотор, что устраняет возможность излома бурильных труб даже при полном заклинивании долота.

Для облегчения последующего пуска бурового мотора и уменьшения времени на такой пуск предусмотрена специальная блокировка.

  1. Перед включением регулятора подачи следует проверить исправность червячного редуктора и цепной передачи от него к трансмиссионному валу лебедки.
  2. Необходимо проверить, находится ли маховичок на посту управления в положении, соответствующем самой меньшей нагрузке бурового мотора, и если нет, то поставить его в такое положение.
  3. Рукоятку переключателя пульта управления (если регулировочное реле не находится в цепи ротора мотора индивидуального привода ПИР) поставить в положение, соответствующее тому мотору, на котором предполагается вести бурение.
  4. Пустить в ход мотор-генераторный агрегат надо нажатием кнопки «Пуск», находящейся на передней стенке поста управления. При этом мотор подачи начинает вращать цепное колесо на верхнем трансмиссионном валу лебедки в сторону подъема инструмента над забоем.
  5. Включив буровой мотор, надо привести ротор во вращение и установить такое число оборотов, которое предполагается поддерживать при бурении. При этом цепное колесо на верхнем трансмиссионном валу будет либо продолжать вращаться в сторону подъема инструмента над забоем, либо остановится или же станет вращаться в сторону подачи инструмента на забой. Это будет зависеть от того, будет ли нагрузка бурового мотора, соответствующая холостому ходу инструмента, больше, равна или меньше установки на реле.

Все эти операции производятся при заторможенном барабане лебедки. Убедившись в том, что обе муфты на валу барабана расцеплены, следует включить кулачковую муфту на верхнем трансмиссионном валу.

При отключении регулятора подачи следует:

1) остановить буровой мотор (или мотор ПИР);

2) затормозить барабан с помощью ручного тормоза;

3) расцепить муфту на верхнем трансмиссионном валу бурового станка;

4) остановить мотор-генератор нажатием кнопки «Стоп», расположенной на передней стенке пульта управления;

5) поставить переключатель пульта управления в среднее положение;

6) повернуть маховичок пульта управления в положение наименьшей нагрузки.

Автомат ХЭМЗ с мотором подачи переменного тока

В целях упрощения конструкции и ухода за автоматом ХЭМЗ был предложен автомат с мотором подачи переменного тока. Он не требует специальной установки для получения постоянного тока, так как в новом автомате податочный мотор постоянного тока заменен асинхронным мотором переменного тока.

Зубчатые колеса 4 и 5 диференциала приводятся в движение посредством шестеренной передачи от отдельных машин 7, 2 и 3, причем машины 2 и 3 связаны общим валом. Все три машины электрически связаны между собой по схеме Леонарда.

При вращении машин в разные стороны и одинаковой их скорости сателлит 6 остается неподвижным; если же изменить скорость одного из двигателей, то сателлит будет вращаться в ту или другую сторону. От сателлита движение передается барабану подъемной лебедки через зубчатые передачи и цепное колесо 7.

Обозначим через их скорость зубчатого колеса 4; и 2 скорость зубчатого колеса 5; и скорость сателлита 6.

 

При вращении приводных машин дифференциала и соответственно зубчатых колес 4 и 5 в разные стороны скорость сателлита определится из выражения

Скорость двигателей 2 и 3 постоянна. Скорость машины 7 регулируется. Направление вращения машин 7, 2 и 3 выбрано с таким расчетом, что машина 7 вращается в сторону спуска инструмента, а машины 2 и 3-в сторону подъема.

Направление момента машины 7, работающей на спуск, всегда совпадает с направлением момента груза, поэтому данная машина иногда работает на генераторном режиме.

Машины 7 и 2 постоянного тока. Они наглухо соединены между собою и не имеют питания от сети. В этой замкнутой на себя системе, как уже указывалось, машина 7 является генератором, а мотор 2-двигателем.

Машина 7 типа МП513, мощностью 20,5 кет, напряжением ПО б с 720 об/мин. Приводится она во вращение от двух источников механической энергии: от вала двигателя 3 через зубчатое колесо 5 и сателлит 6 и от веса бурильных труб через барабан лебедки, цепное колесо 7 и сателлит 6. При опускании инструмента скорости цепного колеса 7 и двигателя 3 суммируются. При подъеме инструмента скорость цепного колеса 7 вычитается из скорости двигателя 3.

Выбор машин постоянного тока, а не асинхронных двигателей определяется широким диапазоном плавного регулирования скорости, не зависящей от нагрузки этих машин.

Возбуждение машин не зависит от сети постоянного тока буровой, предусмотренного для питания цепи управления роторных магнитных станций двигателей подъемной лебедки. Машина 2 имеет все время постоянное возбуждение, и ее скорость пропорциональна напряжению якорной цепи.

Машина 3 типа МП512 мощностью 15,5 кет, напряжением ПО в с 750 об/мин сидит на общем валу с двигателем 4, который представляет собою асинхронный трехфазный мотор мощностью 18,1 кет, 220 в, 750 об/мин с короткозамкнутым ротором.

 

Возбуждение машины и соответственно напряжение на ее клеммах могут регулироваться вручную посредством регулятора 8 и автоматически в функции нагрузки бурового мотора посредством угольного регулятора 5 типа ЭН-352 максимальной мощности 120 ет. Угольный регулятор состоит из столбика угольных шайб, собираемых 1 из отдельных мембран, включенной в цепь обмотки возбуждения машины 3, электромагнитной катушки 6, питаемой от трансформатора тока двигателя, и системы рычажков с уравнительной пружиной.

Сопротивление угольного столбика зависит от степени его сжатия. При сжатом столбике сопротивление минимально, ток возбуждения машины 3 будет большим, напряжение в якорной цепи машин 2 и 3 будет также большим и соответственно скорость машины 3 будет максимальной. При разжатом угольном столбике сопротивление будет максимальным, а все остальные величины будут иметь минимальное значение. Система пружин, сжимая угольный столбик, стремится поддерживать подачу максимальной. Усилие, развиваемое электромагнитной катушкой б, противоположно действию пружин и стремится разжать угольные пластинки. Чем больше нагрузка бурового мотора, тем сильнее ток и больше усилие, развиваемое катушкой б, тем больше сопротивление угольного столбика, вследствие чего скорость подачи долота на забой уменьшается вплоть до наступления реверса системы. Таким образом, в зависимости от заданной нагрузки двигателя устанавливается та или иная скорость подачи. Установка нагрузки двигателя производится посредством шунтирующего сопротивления 7 на пульте управления. В случае отключения двигателя предусмотрен реверс системы, осуществляемый блок-контактном 9 контактора двигателя, который, размыкаясь, вводит все сопротивление шпунтового регулятора 8.

Запуску автомата предшествует пуск бурильного двигателя 7 посредством контактора 9 и пускового сопротивления 11. Затем инструмент с тормоза вручную доводится на 0,5 м от забоя.

 

Посредством кнопки 12 и контактора 10 включаются двигатель 4 автомата подачи и кулачковая муфта звездочки механизма подачи на бурильной лебедке. Посредством установочного сопротивления 7 устанавливается ток бурового двигателя, а с помощью реостата 8 -максимальное значение скорости подачи. Контактор 10, угольные регуляторы б и 5 и измерительные приборы якорной цепи механизма подачи устанавливаются на магнитной станции механизма подачи. Кнопка управления 12 и установочные сопротивления 7 и 8 устанавливаются на пульте управления. Скорости проходки при работе этим автоматом достигают свыше 100 м/час, средние показатели механической скорости, составившие 4,75-6,1 м/час, а также минимальная кривизна стволов скважин, проведенных при помощи этого автомата, характеризуют его как полноценный механизм, отвечающий всем требованиям автоматического бурения.

Пневматическое управление лебедкой

Еще в 1933 г. М. А. Капелюшниковым и С. Л. Залкиным было предложено пневматическое управление лебедкой, с отдельного пульта. Пульт управления может быть расположен в любом месте буровой вышки. Пневматическое управление состоит из элементов, обеспечивающих:

1) воздушное торможение лебедки тормозного крана А и тормозного цилиндра 1.

2) включение скоростей лебедки ножной педалью воздухораспределителя В для подачи воздуха в цилиндры 2, 3, 4 и 5, управляющие включением всех передач и катушки лебедки, трехходовым краном Б для переключения цилиндров и т. д.

Для осуществления автоматизации подачи к индикатору веса добавляется воздушный трансформатор. Кроме того, включение мотора может осуществляться с помощью добавочного воздушного цилиндра.

 

Ввиду малого расхода воздуха питание всего управления происходит из небольшого резервуара, наполненного или из компрессорной линии промысла через дроссельный клапан, или же посредством специальной установки типа трамвайного компрессорного агрегата. Давление в линии поддерживается 3-4 ат. Пульт управления соединен системой трубок с цилиндрами с блоками, установленными при органах включения скоростей, роторной шестерни, катушки и у тормоза лебедки.

Пневматическое управление осуществляется путем изменения давления на поршни этих цилиндров и блоков.

Конструктивно пневматическое управление лебедкой по схеме Капелюшникова и Залкина не требует почти никаких переделок в лебедке. Последняя весьма быстро может быть приспособлена на работу с пультом.

Схема обслуживания пневматики такова. Сжатый воздух подступает в фильтр, откуда переходит в спускной баллон, имеющий спускной кран на случай появления жидкости. Затем он проходит по трубке диаметром 12,7 мм (1/2"), на которой установлен кран для изоляции установки при осмотре и ремонте и откуда переходит в регулятор давления, являющийся редуктором понижающим давление и компенсирующим расход воздуха. Дальше воздух поступает в резервуар емкостью 500 л., имеющий предохранительный клапан для поддержания нужного давления и спуска излишка сверх установленной нормы. Внизу резервуара установлен спускной кран, служащий для очистки его и спуска воздуха. В верхней части резервуара установлен кран магистрали, по которому воздух распределяется одновременно в кран А пульта бурильщика и через педаль В-в скоростные цилиндры 2, 3, 4 и 5. От крана А воздух переходит в цилиндр 7 (справа от поршня). Из общей магистрали воздух направляется через тройник во второй регулятор, который вторично понижает его давление (называемое тормозным давлением), обычно поддерживаемое в пределах 3 ат, и пропускается через обратный клапан в тормозной цилиндр, связанный через шток особой конструкции с тормозным валом и лентами лебедки.

 

Воздух поступает в кран А, где благодаря особому устройству создается требуемое давление (0- 6 ат). Этим давлением бурильщик оперирует в процессе работы. Поворачивая ручкой кран А из одного положения в другое, бурильщик направляет воздух в тормозной цилиндр 7, тем самым производя подачу инструмента. Педаль В бурильщик открывает ногой в случае необходимости выпуска воздуха из скоростных цилиндров.

Все цилиндры у лебедки имеют одинаковую конструкцию и связаны воздухопроводом с переключательным краном Б, установленным на пульте. Бурильщик поворотом ручки направляет воздух в любой цилиндр, движение поршня которого производит сцепление кулачковых муфт лебедки.

Поворачиванием рукоятки крана А на 180° изменяется давление в тормозном цилиндре 7 от нуля до максимума (3-4 ат). Максимальное торможение будет тогда, когда давление в цилиндре будет равно нулю. Когда же давление в цилиндре достигает максимума, происходит полное оттормаживание, а при всех промежуточных положениях получается любая степень торможения. Рукоятка крана, оставленная в необходимом положении, может сохранить на неопределенное время приданную ей степень торможения. Следовательно, рукояткой крана можно установить любое давление и любую степень торможения в течение долгого времени, тем самым используя пневматический тормоз как регулятор процесса бурения.

На пульте управления должны быть установлены следующие измерительные приборы:

1) индикатор веса;

2) счетчик оборотов ротора;

3) манометр, показывающий давление в насосе;

4) часы;

5) ваттметр, показывающий затрачиваемую мощность в буровом моторе в процессе бурения и подъема инструмента;

6) ваттметр, показывающий затрачиваемую мощность на насосе при работе на электроэнергии);

7) прибор, автоматически регистрирующий уд. вес глинистого раствора;

8) прибор, регистрирующий производительность насоса;

9) фидограф - прибор, регистрирующий скорость проходки.

Понравилась эта статья? Поделитесь ею!

 

Одно мнение на “11. Автоматизация и механизация буровых работ