Модернизация насосного блока буровой установки. Замена бурового поршневого трехцилиндрового насоса одностороннего действия УНБТ-950 производства завода «Уралмаш» на плунжерный трехцилиндровый насос СИН-71 производства завода «Синергия»-Курсовая работа-Обо

В данном дипломном проекте рассматривалась модернизация насосного блока буровой установки БУ 450/270 ЭКБМ (покажи на 1 лист). Номинальная глубина бурения 4500м, грузоподъемность на крюке – 270т, эшелонная кустовая блочно-модульного типа с электроприводом постоянного тока (для изменения частоты привода используется частотный преобразователь). Данная бур. широко распространена среди буровых и сервисных компаний нашего региона (например РН-бурение). На буровой установлены 2 буровых трехпоршневых насоса УНБТ-950 (покажи лист 2), обладающие следующими тех. характеристиками:
• мощность 950 кВт;
• максимальное развиваемое давление 30 МПа;
• Максимальная подача раствора 35,7 л/с;
Привод осуществляется с помощью электродвигателя постоянного тока с частотным регулятором.
Масса насоса без привода составляет 22т.
Буровой насос является основным потребителем энергии при бурении нефтяных и газовых скважин (до 75% приводной энергии) и необходим для:
• закачки бурового раствора в скважину;
• очистки скважины от выбуренных обломков породы;
• привода забойных двигателей;
Поэтому при разработке данного дипломного проекта мною был проведен патентно-информационный обзор и обзор научной литературы на предмет поиска более совершенных технических решений в области бурового насосостроения. Были рассмотрены различные конструкции буровых насосов:
буровой двухпоршневой насос двухстороннего действия (Лист 3, рис 1) типа УНБ-600. К недостаткам данного насоса относится высокая масса, малая мощность, небольшое давление на выходе, низкая быстроходность, большая неравномерность подачи.
трехпоршневой буровой насос одностороннего действия, (лист 3 рис 2) типа УНБТ-950. По сравнению с УНБ-600 данный насос обладает большей мощностью, большим давлением и подачей на выходе, большей быстроходностью, меньшими габаритами и массой. Конструкция данного насос более совершенна вследствие отсутствия уплотнения штока и меньшего количества клапанов (6 против 8).
Двухпоршневой буровой насос с пневмоколпаками (лист 3 рис 3, показана лишь одна гидрокоробка). Преимуществом данного насоса является возможность регулирования подачи путем увеличения или уменьшения объема закаченного газа в пневмоколпак. Данный насос так и не попал в серийное производство вследствие своей сложности, габаритов.
Плунжерный трехцилиндровый насос (лист 3 рис 4). Преимуществом данного насоса является использование более совершенного типа вытеснителя – плунжера. А также прямоточная гидравлическая коробка, которая имеет менбший объем вредного пространства по сравнению с L-образной ка у УНБТ (лист 3 рис 2).
Трехплунжерный бескрейцкопфный насос (лист 4 рис. 1). Данное техническое решение представляет интерес т.к. крейцкопф и плунжер совмещены в один узел. Уменьшены габариты, масса. Однако долговечность уплотнения плунжера понижена, вследствие неравномерного движения плунжера. Кроме того всасывающий клапан расположен горизонтально и заедает.
Плунжерный четырехцилиндровый насос (лист 4 рис. 2). Положительным качеством рассматриваемого насоса является его небольшой вес. Недостатки насоса — повышенный износ плунжеров, их уплотнений, клапанов, пониженная всасывающая способность, вызванная инерцией вертикальных столбов жидкости, находящихся под всасывающими клапанами и возвышением цилиндров над станиной, — не способствовали широкому распространению этого насоса.
Осевой буровой насос (лист 4 рис 3) Оценивая основные достоинства насоса: малый вес, простоту привода, плавную характеристику, следует учитывать его недостатки, не позволяющие широко применять его в бурении, особенно в глубоком: быстрый износ деталей рабочих ступеней при перекачке загрязненных жидкостей, трудоемкость замены этих деталей, а также сравнительно невысокий коэффициент полезного действия (около 60—70%).
Шестицилиндровый насос GEC-1000 (лист 4 рис 4) К недостаткам насоса относятся: усложненный доступ к клапанам, уплотнению ползуна и цилиндро-поршневой паре; невысокая надежность гид- равлической части, вызванная появлением утечки раоочеи жидкости;большое число сменных деталей.
Техническим предложением является замена бурового поршневого трехцилиндрового насоса одностороннего действия УНБТ-950 производства завода «Уралмаш» на плунжерный трехцилиндровый насос СИН-71 производства завода «Синергия». Лист 5. К основным недостаткам УНБТ-950 относится низкая долговечность сменных деталей гидравлической части насоса, что, в свою очередь, приводит к частым ремонтам и дорогостоящим простоям бурового оборудования. Наряду с тарельчатыми клапанами, наиболее слабым звеном УНБТ является поршень. Низкая долговечность поршня связана с высокими давлениями работы насоса, необходимостью использования буровых растворов высокой плотности для борьбы с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) и низкой степенью очистки бурового раствора после выхода из скважины.
Конечно, система подачи охлаждающей жидкости (СОЖ) увеличивает долговечность цилиндропоршневой пары, но и этого в наше время бывает недостаточно. Сегодня, когда буровые компании пытаются всесторонне оптимизировать собственные расходы для ведения конкурентной борьбы за разработку новых месторождений, стоимость проходки одного метра скважины является во многом критичной.
В связи с этим весьма перспективным смотрится плунжерный тип вытеснителя. (лист 5 рисунки посередине) В своей основе плунжер и поршень имеют один и тот же принцип вытеснения объема жидкости, однако уплотнение поршня подвижно, в отличие от уплотнения плунжера. В результате, к неподвижному уплотнению плунжера можно подвести смазочное масло и, тем самым увеличить долговечность пары плунжер-уплотнение плунжера, в среднем, в 4 раза. Таким образом, плунжер насоса работает в условиях жидкостного трения, которое дает возможность увеличить скорость движения плунжера без опасности разрушения уплотнения.
Конечно, в сознании многих специалистов давно закрепился стереотип плунжерных насосов, как насосов предназначенных для создания больших давлений, но неспособных создавать необходимую подачу, однако для создания оптимального соотношения (давление - подача) насоса, необходимо всего лишь найти оптимальный диаметр плунжера.
Изменения в гидравлической части плунжерных насосов типа СИН коснулись не только замены типа вытеснителя. В поршневых насосах типа НБТ и УНБТ используется L-образная гидравлическая коробка. С одной стороны, это облегчает эксплуатацию насоса, т.к. можно легко получить доступ к всасывающему клапану насоса, который подвержен износу больше нагнетательного. Но с другой стороны, такая конструкция увеличивает габариты коробки, ее вес, и уменьшает гидравлическую мощность, т.к. несет большое количество вредного объема не вытесняемого при работе насоса.
В отличие от поршневых насосов, плунжерные насосы типа СИН снабжены гидравлической коробкой прямоточного действия, т.е. нагнетательный и всасывающий клапаны расположены друг под другом. Как уже отмечалось ранее, такая конструкция обладает меньшим количеством вредного объема, однако усложняется обслуживание насоса.
Однако, компания «Синергия» пошла дальше в развитии идеи использования плунжерных насосов для бурения. Помимо гидравлической части, разработчики внесли серьезные изменения в трансмиссионную часть насоса.
Так, например, в поршневом насосе типа УНБТ передача вращения от двигателя происходит через клиновую передачу на трансмиссионный вал, который, в свою очередь, через шевронное зацепление передается на коренной вал. (лист 5 рис первый верхний слева)
Таким образом, редуктор (зацепление трансмиссионный вал – коренной вал) встроен в станину насоса. Такой подход имеет множество недостатков: большой вес в результате использования шестерни коренного вала большого диаметра, низкую технологичность изготовления из-за своих габаритов, низкую ремонтопригодность (для замены изношенного зацепления необходимо полностью разбирать станину, снимать с опор коренной вал и разбирать шатуны). Использование зубчатых колес таких габаритов было продиктовано большими нагрузками, которые испытывали зубья передачи.
В конструкции буровых плунжерных насосов типа СИН тип передачи заменен с шевронного на планетарный. (лист 5 рис сверху крайний правый)
В поршневых насосах повышение скорости вращения коренного вала выше 125 об/мин означает разрушение уплотнение поршня. В плунжерных насосах, благодаря смазке, подводимой к плунжеру через уплотнение, такого ограничения нет и возможно увеличить скорость вращения в 2-3 раза [6,7].
Планетарное зацепление обладает более оптимальным распределением нагрузок на зубья, что позволило серьезно уменьшить вес редуктора и вынести его за корпус насоса. Кроме того, в трансмиссии поршневых насосов используются подшипники качения. Большим недостатком данных подшипников являются большие размеры, так как они несут большие нагрузки. Большие размеры ведут к увеличению погрешностей при изготовлении и к зазорам при установке подшипников на коренной вал насоса. При эксплуатации насоса зазоры приводят к неравномерному распределению нагрузок и, как следствие, быстрому выходу из строя. В противовес подшипникам качения в плунжерных насосах используются более прогрессивные подшипники скольжения.
Непосредственно сам Плунжерный насос показан на листе 6. Т.к. дипломный проект является эскизным – упор был сделан на прорисовку чертежей насоса. В свободном доступе чертеже насоса нет, поэтому пришлось чертить самим по принципиальным схемам и исходя из конструкторских соображений. Гидравлическая коробка показан на листе 7. Также представлена деталировка. Нами был проведен расчет основных рабочих параметров насоса. Исходными данными являлись:
максимальная подача 65 л/с;
максимальное давление 35 МПа;
типоразмеры плунжеров: 180, 160, 140, 120мм
максимальная быстроходность 250 об/мин.
привод осуществляется от электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Используя эти данные и базовые знания в области гидравлики нами была просчитана характеристика насоса по подаче и давлению при различных диаметрах втулок и различной быстроходности в программе mathCad. Кроме того был рассчитан шток с помощью метода конечных элементов в программе SolidWorks.
В заключение хочу сказать что использование плунжерных буровых насосов является очень перспективным и позволит экономить при замене Унбт-950 на СИН-71 в год до 2.3 млн руб за счет уменьшения металлоемкости насоса, габаритов, и повышенных рабочих характеристиках по сравнению с УНБТ. Т.е. там где раньше нам нужно было использовать одновременно 2 насоса УНБТ по подаче, мы можем использовать 1 насос СИН. Спасибо за внимание.
В данном дипломном проекте рассматриваются варианты модернизации буровой установки Уралмаш 4500 ЭК-БМ. В частности, рассматриваются вари-анты модернизации насосно-циркуляционного комплекса буровой установки, а именно замена бурового трехцилиндрового насоса одностороннего действия УНБТ-950А производства завода «Уралмаш» на более совершенный трехплун-жерный насос одностороннего действия СИН-71 производства завода «Синер-гия». Преимущества трехплунжерного насоса неоспоримы: при схожих техниче-ских характеристиках он имеет меньшие габариты и массу. Но наиболее значи-мым является тот факт, что плунжер бурового насоса имеет большую долговеч-ность чем поршень за счет возможности подвода масла к неподвижному узлу уплотнения плунжера. У поршневых насосов подвод масла невозможен из-за подвижности основного рабочего органа – поршня. Данная модернизация поз-волит уменьшить время простоя оборудования БУ, что, в свою очередь, позво-лит сэкономить денежные средства нефтяной компании.

Техническим предложением является замена бурового поршневого трехцилиндрового насоса одностороннего действия УНБТ-950 производства за-вода «Уралмаш» на плунжерный трехцилиндровый насос СИН-71 производства завода «Синергия».

Рисунок 1 – Плунжер-ный насос
Буровой насос является основным потребителем энергии при бурении нефтяных и газовых скважин (до 75% приводной энергии). В настоящее время производители активно работают как над усовершенствованием существующих насосов (например, буровой насос УНБ-600АШ компании «УМЗ» [4]), так и над внедрением принципиально новых конструкций (гексагональный буровой насос компании «National Oilwell Varco» [5]).
Наиболее распространенными на сегодняшний день являются поршневые трехцилиндровые насосы одностороннего действия [1], такие как УНБТ-600, УНБТ-950, УНБТ-1180 и УНБТ-1600 производства завода «Уралмаш», а также НБТ-600 и ВНБТ-950 производства «ВЗБТ». Также в эксплуатации, по большей части в разведочном бурении, находится большое количество поршневых двух-цилиндровых насосов двойного действия УНБ-600. Последние считаются уста-ревшими ввиду увеличенных габаритов (длина насоса увеличена из-за наличия второй камеры цилиндра), большой массы (из-за литой неразъемной станины и наличия 8 клапанов) и сняты с массового производства.
В то же время современные поршневые насосы, такие как УНБТ-950, не лишены недостатков. К основным недостаткам относится низкая долговечность сменных деталей гидравлической части насоса, что, в свою очередь, приводит к частым ремонтам и дорогостоящим простоям бурового оборудования. Наряду с тарельчатыми клапанами, наиболее слабым звеном УНБТ является поршень. Низкая долговечность поршня связана с высокими давлениями работы насоса, необходимостью использования буровых растворов высокой плотности для борьбы с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) и низкой степе-нью очистки бурового раствора после выхода из скважины.
Конечно, система подачи охлаждающей жидкости (СОЖ) увеличивает дол-говечность цилиндропоршневой пары, но и этого в наше время бывает недоста-точно. Сегодня, когда буровые компании пытаются всесторонне оптимизировать собственные расходы для ведения конкурентной борьбы за разработку новых месторождений, стоимость проходки одного метра скважины является во мно-гом критичной.
В связи с этим весьма перспективным смотрится плунжерный тип вытесни-теля. В своей основе плунжер и поршень имеют один и тот же принцип вытесне-ния объема жидкости, однако уплотнение поршня подвижно, в отличие от уплотнения плунжера. В результате, к неподвижному уплотнению плунжера можно подвести смазочное масло и, тем самым увеличить долговечность пары плунжер-уплотнение плунжера, в среднем, в 4 раза. Таким образом, плунжер насоса работает в условиях жидкостного трения, которое дает возможность уве-личить скорость движения плунжера без опасности разрушения уплотнения.
Конечно, в сознании многих специалистов давно закрепился стереотип плунжерных насосов, как насосов предназначенных для создания больших дав-лений, но неспособных создавать необходимую подачу. Из базового курса гид-равлики известно:

,
где - скорость вытеснения жидкости;
- площадь вытесняемого потока;


где - диаметр вытесняемого потока.
Таким образом, для создания оптимального соотношения насоса, необходимо всего лишь найти оптимальный диаметр плунжера.
Изменения в гидравлической части плунжерных насосов типа СИН косну-лись не только замены типа вытеснителя. В поршневых насосах типа НБТ и УНБТ используется L-образная гидравлическая коробка. С одной стороны, это облегчает эксплуатацию насоса, т.к. можно легко получить доступ к всасываю-щему клапану насоса, который подвержен износу больше нагнетательного. Но с другой стороны, такая конструкция увеличивает габариты коробки, ее вес, и уменьшает гидравлическую мощность, т.к. несет большое количество вредного объема не вытесняемого при работе насоса.

Таким образом, редуктор (зацепление трансмиссионный вал – коренной вал) встроен в станину насоса. Такой подход имеет множество недостатков: большой вес в результате использования шестерни коренного вала большого диаметра, низкую технологичность изготовления из-за своих габаритов, низкую ремонтопригодность (для замены изношенного зацепления необходимо полно-стью разбирать станину, снимать с опор коренной вал и разбирать шатуны). Использование зубчатых колес таких габаритов было продиктовано большими нагрузками, которые испытывали зубья передачи.
В конструкции буровых плунжерных насосов типа СИН тип передачи за-менен с шевронного на планетарный.
Известна формула

где - передаваемая мощность;
- крутящий момент;
- число оборотов;
Таким образом, при повышении скорости вращения приводного вала уменьшается крутящий момент при одной и той же передаваемой мощности. В поршневых насосах повышение скорости вращения коренного вала выше 125 об/мин означает разрушение уплотнение поршня. В плунжерных насосах, бла-годаря смазке, подводимой к плунжеру через уплотнение, такого ограничения нет и возможно увеличить скорость вращения в 2-3 раза [6,7].
Планетарное зацепление обладает более оптимальным распределением нагрузок на зубья, что позволило серьезно уменьшить вес редуктора и вынести его за корпус насоса. Кроме того, в трансмиссии поршневых насосов использу-ются подшипники качения. Большим недостатком данных подшипников являют-ся большие размеры, так как они несут большие нагрузки. Большие размеры ведут к увеличению погрешностей при изготовлении и к зазорам при установке подшипников на коренной вал насоса. При эксплуатации насоса зазоры приво-дят к неравномерному распределению нагрузок и, как следствие, быстрому вы-ходу из строя. В противовес подшипникам качения в плунжерных насосах ис-пользуются более прогрессивные подшипники скольжения.