Конструкция и модернизация бурового вертлюга БУ-75Бр: комплексный анализ для дипломной работы

Бесперебойная работа бурового оборудования является критически важным фактором эффективности в нефтегазовой отрасли. Любой простой, вызванный поломкой ключевых узлов, ведет к значительным финансовым и временным потерям. Буровая установка БУ-75БрД, предназначенная для бурения скважин глубиной до 2400 метров, является одним из распространенных агрегатов в этой сфере. Несмотря на свою востребованность, она обладает рядом конструктивных уязвимостей, снижающих ее общую эксплуатационную надежность. Высокий спрос на услуги по ремонту бурового оборудования косвенно подтверждает наличие этих проблем. Цель данной работы — не просто описать конструкцию вертлюга, одного из наиболее нагруженных элементов установки, а на основе системного анализа его слабых мест предложить и инженерно обосновать конкретное решение по его усовершенствованию, направленное на повышение долговечности и увеличение межремонтного периода.

Каково место и назначение вертлюга в составе буровой установки БУ-75Бр

Буровая установка БУ-75БрД представляет собой сложный технический комплекс, где каждый элемент выполняет строго определенную функцию. При общей установленной мощности привода в 588 кВт и высоте вышки 36,74 метра, эта установка способна решать серьезные задачи по бурению эксплуатационных и разведочных скважин. В этой системе вертлюг является одним из центральных и наиболее ответственных узлов талевой системы.

Его основное предназначение многофункционально и заключается в решении трех ключевых задач одновременно:

1. Удержание бурильной колонны: Вертлюг через штроп подвешивается к крюку талевого блока и несет на себе всю статическую нагрузку от веса бурильной колонны, которая для данной установки может быть весьма значительной, учитывая его статическую грузоподъемность в 100 тонн.
2. Обеспечение свободного вращения: Он позволяет бурильной колонне свободно вращаться от привода ротора, в то время как его корпус остается неподвижным. Это критически важно для процесса разрушения горной породы на забое.
3. Подача промывочной жидкости: Вертлюг обеспечивает герметичный подвод бурового раствора от буровых насосов во вращающуюся колонну. Промывочная жидкость под высоким давлением, достигающим 20 МПа, проходит через напорную трубу и ствол вертлюга с диаметром отверстия 100 мм, далее поступая в бурильные трубы.

Таким образом, вертлюг является связующим звеном между неподвижной талевой системой и вращающейся бурильной колонной, работая в условиях экстремальных нагрузок и высокого давления.

Как устроена и работает штатная конструкция узла

Для понимания причин эксплуатационных отказов необходимо детально рассмотреть штатную конструкцию вертлюга БУ-75Бр. Классификация вертлюгов производится по их основной технической характеристике — допускаемой статической нагрузке, и все элементы конструкции рассчитаны на ее восприятие.

Узел состоит из нескольких ключевых компонентов, работающих в тесной взаимосвязи:

• Корпус: Является основной несущей частью, внутри которой монтируются все остальные элементы. Он воспринимает и передает нагрузку от ствола на главный подшипник.
• Штроп: Элемент U-образной формы, изготовленный из высокопрочной легированной стали, который соединяется с корпусом при помощи пальцев. Именно за штроп вертлюг подвешивается к крюку талевой системы.
• Ствол: Полая деталь, которая проходит через весь вертлюг. В нижней части ствола имеется резьба для соединения с ведущей бурильной трубой, а в верхней — основание для крепления напорной трубы. Ствол вращается вместе с бурильной колонной.
• Главный опорный подшипник: Это сердце вертлюга. Он устанавливается в корпусе и воспринимает всю осевую нагрузку от веса колонны, передаваемую через ствол, обеспечивая при этом его свободное вращение. Его износ является одной из частых причин ремонта.
• Напорная труба (гусак): Изогнутая труба, которая соединяется с верхней частью ствола и служит для подвода бурового раствора от нагнетательного шланга.
• Уплотнительная система: Комплекс манжет и прокладок, расположенный в верхней части ствола в месте соединения с напорной трубой. Его задача — предотвратить утечку промывочной жидкости, находящейся под высоким давлением. В качестве материалов могут использоваться прорезиненная ткань или листовой картон.

В процессе работы буровой раствор под давлением подается в напорную трубу, проходит через уплотнительный узел в ствол и далее в колонну. Одновременно с этим ротор вращает колонну вместе со стволом, а вся нагрузка от ее веса через ствол передается на главный подшипник и корпус.

Что именно является слабым звеном при анализе эксплуатационных нагрузок

Вертлюг БУ-75Бр в процессе эксплуатации подвергается совокупности экстремальных нагрузок, которые действуют одновременно и взаимно усиливают негативное воздействие на его компоненты. К ним относятся:

• Осевая статическая нагрузка: Постоянное воздействие веса бурильной колонны, достигающее десятков тонн.
• Динамические нагрузки: Возникают от вращения ствола с частотой до 300 об/мин, а также вибрации и удары, передающиеся от бурового инструмента.
• Высокое внутреннее давление: Давление промывочной жидкости до 20 МПа (около 200 атмосфер) создает значительные распирающие усилия в стволе и напорной трубе.

Тщательный анализ показывает, что наиболее уязвимым местом всей конструкции является не главный подшипник, как можно было бы предположить, а узел соединения напорной трубы с основанием ствола вертлюга. Именно здесь происходит концентрация максимальных напряжений, обусловленная сложной геометрией перехода и одновременным действием всех перечисленных нагрузок.

Резкое изменение сечения и направления потока жидкости в этом месте создает пиковые гидравлические удары, которые накладываются на механические вибрации и осевое растяжение. Это приводит к возникновению и развитию усталостных трещин в металле. Проблема усугубляется тем, что этот узел работает в постоянном цикле нагружения-разгружения, что ускоряет процесс усталостного износа.

Целью данного проекта является увеличение надежности соединения напорной трубы с основанием ствола вертлюга. В результате текущего положения дел установка находится в постоянном напряженном состоянии, которое может привести к аварийным ситуациям.

Разрушение этого узла является одной из наиболее опасных аварий, так как оно приводит к мгновенной разгерметизации системы, выбросу бурового раствора под огромным давлением и полному останову буровых работ. Именно поэтому данное соединение можно с уверенностью назвать главным «слабым звеном» конструкции.

В чем заключается проект усовершенствования конструкции для повышения надежности

Для решения выявленной проблемы концентрации напряжений предлагается проект усовершенствования конструкции, который не требует кардинального изменения всего узла, а направлен на точечную доработку самого уязвимого элемента. Суть модернизации заключается в усовершенствовании напорной трубы вертлюга путем изменения ее длины и формы.

Предлагаемая инженерная доработка включает в себя следующие ключевые изменения:

1. Изменение геометрии изгиба: Штатная напорная труба имеет относительно резкий изгиб. В новой конструкции предлагается использовать более плавный радиус кривизны. Это позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление и, как следствие, уменьшить интенсивность гидроударов и турбулентности потока в зоне соединения со стволом.
2. Оптимизация длины и сечения: Длина напорной трубы и форма ее поперечного сечения в месте перехода к основанию ствола оптимизируются таким образом, чтобы обеспечить более равномерное распределение механических напряжений. Вместо резкого перехода создается плавная переходная зона, которая работает как демпфер, сглаживая пиковые нагрузки от вибраций.
3. Усиление фланцевого соединения: Модернизируется само фланцевое соединение трубы со стволом для обеспечения большей площади контакта и более надежной фиксации, что также способствует снижению локальных напряжений.

Эти, на первый взгляд, незначительные изменения в геометрии позволяют кардинально изменить картину распределения нагрузок в узле. Пиковые напряжения, которые в штатной конструкции концентрировались в небольшой зоне, в усовершенствованной версии распределяются по большему объему металла, что многократно повышает усталостную прочность и долговечность соединения. Важным преимуществом является то, что предлагаемую конструкцию можно внедрить во все действующие буровые установки данного типа без необходимости переделки сопряженных деталей вертлюга.

Каково техническое и экономическое обоснование предложенной модернизации

Внедрение предложенного усовершенствования напорной трубы вертлюга БУ-75Бр является целесообразным как с технической, так и с экономической точки зрения.

Технические преимущества:

• Повышение надежности: Главный результат — значительное увеличение усталостной прочности критически важного узла, что напрямую снижает вероятность аварийных отказов и разгерметизации.
• Увеличение ресурса: Снижение пиковых нагрузок и вибраций положительно сказывается не только на самой напорной трубе, но и на сопряженных элементах, таких как уплотнения и подшипники, замедляя их износ.
• Повышение безопасности: Предлагаемая конструкция является безопасной и экологичной, так как минимизирует риск внезапного выброса бурового раствора, предотвращая производственный травматизм и загрязнение окружающей среды.

Экономическое обоснование:

Прямой экономический эффект от применения новой конструкции складывается из нескольких факторов. Хотя модернизация требует первоначальных затрат на изготовление напорной трубы новой геометрии, эти инвестиции быстро окупаются за счет:

• Сокращения затрат на ремонт: Уменьшается частота замены напорной трубы, уплотнений и других изнашиваемых элементов вертлюга.
• Минимизации простоев: Предотвращение аварийных ситуаций позволяет избежать дорогостоящих простоев всей буровой бригады и оборудования.
• Увеличения межремонтного периода: Это ключевой показатель эффективности. Как утверждается в анализе, основной экономический эффект заключается в «уменьшении износа элементов вертлюга, что увеличивает межремонтный период работы всей буровой установки».

Таким образом, предложенная модернизация является экономически выгодным вложением, которое повышает общую производительность и рентабельность буровых работ.

В ходе проделанной работы был проведен комплексный анализ конструкции вертлюга БУ-75Бр, позволивший выявить его ключевое слабое звено — узел соединения напорной трубы со стволом, где происходит опасная концентрация напряжений. В качестве решения этой проблемы предложена и обоснована конкретная инженерная модернизация, заключающаяся в изменении геометрии (длины и формы) напорной трубы. Реализация данного проекта позволяет не только значительно повысить эксплуатационную надежность и безопасность этого критически важного узла, но и обеспечить весомый экономический эффект. Главным результатом внедрения становится сокращение аварийных простоев и существенное увеличение межремонтного интервала работы всей буровой установки. Учитывая универсальность и относительную простоту внедрения, данное усовершенствование рекомендуется для широкого применения на буровых установках типа БУ-75Бр.

Список использованной литературы

1. Булатов, А.И. Проектирование конструкций скважин [Текст]: учеб. по-обие / А.И. Булатов, Л.Б. Измайлов, О.А. Лебедев. – М.: Недра, 1984. – 125 с.
2. Иогансен, К.В. Спутник буровика [Текст]: справочник / К.В. Иогансен. – М.: Недра, 1990. – 424 с.
3. Овчинников, В.П. Справочник бурового мастера [Текст]: справочное пособие в 2 т. / В.П. Овчинников, СИ. Грачева, А.А Фролова. – М.: Инфра-Инженерия, 2006. – 608 с.
4. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности [Текст]: утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 12.03.2013 N 101: ввод в действие с 18.12.13. – М.: 2013. – 145 с.
5. Калинин, А.Г. Бурение наклонных скважин [Текст]: справочник. / А.Г. Калинин, Н.А. Григорян, Б.З. Султанов. – М.: Недра, 1990. – 315 с.
6. Инструкция для расчета обсадных колонн нефтяных и газовых скважин [Текст]: – М.: АО ВНИИТнефть, 1997. – 194 с.
7. Соловьев, Е.М. Заканчивание скважин [Текст]: учебник / Е.М. Соло-вьев. – М.: Недра, 1985. – 196 с.
8. Самотой, А.К. Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин [Текст]: учеб. пособие / А.К. Самотой – М.: Недра, 1979. – 188 c.
9. Российская Федерация. Законы о промышленной безопасности опасных производственных объектов [Текст]: Федер. закон № 116-ФЗ: принят 21.07.97 (ред. от 04.03.2013, с изм. и доп., вступающими в силу с 01.07.2013).
10. Справочник пожаро-взрывоопасных веществ, материалов и средств их тушения [Текст]: справочное пособие / под ред. А.И. Баратова, А.Я. Корольченко. – М.: Химия, 1990. – 47 с.
11. Авербух, Б.А. Ремонт и монтаж бурового и нефтегазопромыслового оборудования [Текст]: учеб. пособие / Б.А. Авербух, Н.В. Калашников, Я.М. Кершенбаум. – М.: Недра, 1976. – 368 с.
12. Волкова, А.А. Определение категории взрывопожарной опасности помещения [Текст]: метод. указания по курсу «БЖД» / А.А. Волкова, М.Е.Тетеркин, М.А. Чекмарева. – Екатеринбург: УГТУ, 1995. – 12 с.
13. Вредные вещества в промышленности [Текст]: справочник / под об-щей ред. Н. В. Лазарева: Т.: 1, 2, 3. – Л.: Химия, 1976-1977. – 590, 623, 607 с.
14. Куцын, П. В. Охрана труда в нефтяной и газовой промышленности [Текст]: учебник / П.В. Куцын. – М.: Недра, 1987. – 247 с.
15. Сулейманов, М.М. Охрана труда в нефтяной промышленности [Текст]: учебник / М.М. Сулейманов [и др.]. – М.: Недра, 1980. – 243 с.
16. Когаев, В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность [Текст]: учебник / В.П. Когаев, Н.А. Махмудов, А.П. Гусенков. – М.: Машиностроение, 1985. – 224 с.
17. Бухаленко, Е.И. Нефтепромысловое оборудование [Текст]: справочник / под ред. Е.И. Бухаленко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – 559 с.
18. Чичеров, Л.Г. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования [Текст]: учеб. пособие для вузов / Л.Г. Чичеров [и др.] – М.: Недра, 1987. – 422 с.