РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ФЕСТИВАЛЬ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ
УЧАЩИХСЯ 9-11 КЛАССОВ
«ПАРУСА НАУКИ»
секция: физика
СОЗДАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕГО МАКЕТА
УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ
Мирзаянов Галимжан
Елабужский р-н город Елабуга,
МБОУ «Средняя школа №9 с углубленным изучением отдельных предметов», 9 класс
Научный руководитель: Окулина Н.И.
Набережные Челны
2014
Оглавление
1. Устройство буровой установки и способы бурения
1.1. Устройство буровой установки
2. Конструирование усовершенствованной буровой установки
На работе у папы я увидел еще в раннем возрасте буровую установку. Тогда она для меня была большой и таинственной загадкой. Я много читал про буровые установки, с появлением Интернет заглянул и туда. Буровая установка - это устройство, позволяющее добывать нефть.
В своей повседневной жизни мы регулярно пользуемся массой продуктов переработки нефти, даже не задумываясь об этом. Многие из нас каждое утро отправляются на работу на автомобилях, заправляя их бензином, изготовленным из этого сырья. За этот бензин, как и за многие другие товары, мы нередко расплачиваемся с помощью пластиковых банковских карт, сделанных из пластмассы, которая произведена из нефти. А в свободные минуты нередко мечтаем о дальних странах, куда отправимся в отпуск – и доберемся мы туда на самолете, баки которого будут под завязку наполнены топливом, изготовленным все из той же нефти.
Нефть – важнейший природный ресурс, без которого невозможным было бы само существование привычного нам облика современной цивилизации. И для того, чтобы продукты ее переработки, регулярно использующиеся в различных сферах человеческой деятельности, могли попасть в каждый город и в каждый дом, нефть должна пройти долгий и трудный путь. Это природное ископаемое залегает в самых недрах земли, и ее извлечение на поверхность является важнейшей задачей специалистов, работающих в данной отрасли.
Прежде чем зубная щетка, шариковая ручка или другой необходимый нам предмет, изготовленный из нефти, попадет к нам в руки, он должен будет пережить целую серию превращений, обусловленных сложными физико-химическими процессами. И прежде, чем он будет разработан, сконструирован, создан, упакован, отправлен в продажу и приобретен нами, он долгое время будет лишь некоторым количеством нефти, залегающей глубоко под толщей земли. На предприятия и фабрики в различные концы света его доставят многокилометровые трубопроводы, опутывающие своей разветвленной сетью всю нашу планету. Но прежде, чем они смогут транспортировать нефть во все уголки земли, над ее извлечением из ее недр должны будут потрудиться нефтяные буровые установки.
Современная буровая установка представляет собой сложнейшую высокотехнологичную систему, сравнимую по принципу своей организации с крупным металлургическим комбинатом, расположенным вблизи месторождения железной руды. На таком предприятии одновременно осуществляется множество разнообразных работ, связанных с добычей, переработкой и транспортировкой исходного сырья. Существующие на сегодняшний день нефтяные буровые установки являются едва ли не самыми сложными промышленными сооружениями в мире. Связано это с тем, что для обеспечения их бесперебойной работы применяются новейшие достижения во многих отраслях человеческой деятельности.
Взглянув на рабочую буровую установку, я понял, что эти установки советских времен, не испытавшие дух времени. Посмотрев в Интернете различные виды установок, я пришел к выводу, что для повышения производительности труда и увеличения мощности установки можно усовершенствовать основную часть установки и долото, что я и попытался сделать в своей работе. Кроме того, на сегодняшний день одной из ключевых задач в этой области является добыча битума .
На фоне истощения запасов традиционной, легкоизвлекаемой нефти перед руководством республики Татарстан и топ-менеджментом «Татнефти» несколько лет назад встал вопрос о начале широкомасштабной работы по разработке битумных месторождений. Согласно заявлениям руководства республики, на ее территории выявлено 450 скоплений битуминозной нефти.
В настоящий момент, ее суммарные ресурсы и запасы, пригодные к освоению, по различным оценкам, варьируются в пределах 1,5–7 млрд тонн. Крупнейшими месторождениями битума в регионе являются Южно-Ашальчинское, Ашальчинское и Мордово-Кармальское. Два последних из них в настоящий момент находятся в процессе разработки.
Я надеюсь, что и здесь моя идея сыграет свою роль.
Предмет исследования: буровая установка.
Объект исследования: создание макета буровой установки и усовершенствование основной части: труб и долота и способа подачи растворного состава.
Цель работы: создать действующую модель буровой установки с модернизацией основной части.
Задачи:
1. Изучить соответствующую печатную литературу и материалы Интернета по данному вопросу.
2. Подобрать соответствующий материал для выполнения задуманной цели.
3. Собрать макет буровой установки с усовершенствованием основной части.
4. Оформить проект по заданной теме.
5. Сделать соответствующие выводы
На рис. 1 показана общая схема буровой установки:
Рис. 1. Общая схема буровой установки: 1 — буровое долото; 2 — УБТ; 3 — бурильные трубы; 4 — кондуктор; 5 — устьевая шахта; 6 — противовыбросовое устройства; 7 — пол буровой установки; 8 — буровой ротор; 9 — ведущая бурильная труба; 10 — буровой стояк; 11 — вертлюг; 12 — крюк; 13 — талевый блок; 14 — балкон верхового рабочего; 15 — кронблок; 16 — талевый канат; 17 — шланг ведущей бурильной трубы; 18 — индикатор нагрузки на долото; 19 — буровая лебёдка; 20 — буровой насос; 21 — вибрационное сито для бурового раствора; 22 — выкидная линия бурового раствора.
Рассмотрим существующие на сегодняшний день способы бурения:
1. Вращательный. Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся непрерывным вращением породоразрушающего инструмента с приложением осевой нагрузки.
2. Роторный. Вращательное бурение, при котором буровой снаряд вращается станком с вращателем роторного типа.
3. Турбинный. Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается турбобуром.
4. Объёмный. Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается винтовым (объёмным) двигателем.
5. Электробуром. Вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент вращается электробуром.
6. Алмазный. Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается породоразрушающим инструментом, армированным алмазами.
7. Твердосплавный. Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается породоразрушающим инструментом, армированным твёрдыми сплавами.
8. Дробовой. Вращательное бурение, при котором горная порода разрушается дробью.
9. Ударный. Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся воздействием ударов породоразрушающего инструмента.
10. Ударно-канатный. Ударное бурение, при котором возвратно-поступательное движение, создаваемое станком, передаётся породоразрушающему инструменту канатом.
11. Ударно-штанговый. Ударное бурение, при котором возвратно-поступательное движение, создаваемое станком, передаётся породоразрушающему инструменту бурильными трубами.
12. Ударно-вращательный. Механическое бурение, при котором разрушающее усилие создаётся в результате совместного воздействия ударов и вращения породоразрушающего инструмента.
13. Гидроударный. Ударно-вращательное бурение, при котором удары сообщаются породоразрушающему инструменту гидроударником.
14. Вибрационный. Механическое бурение, при котором внедрение бурового снаряда осуществляется виброударником.
15. Гидродинамический. Бурение, при котором горная порода разрушается высоконапорной струёй жидкости.
16. Термический. Бурение, при котором горная порода разрушается тепловым воздействием.
17. Электрофизический. Бурение, при котором разрушается горная порода под воздействием сил, возникающих в результате электрического разряда.
18. Взрывоударный. Бурение, при котором горная порода разрушается под воздействием сил, возникающих в результате взрыва.
19. Химический. Бурение, при котором горная порода разрушается под действием реагентов, вступающих с ней в химическую реакцию.
20. С промывкой. Бурение, при котором продукты разрушения горных пород удаляются потоком промывочной жидкости.
21. С продувкой. Бурение, при котором продукты разрушения горных пород удаляются потоком газа.
При изготовлении макета буровой установки необходимо выполнять следующие требования:
1. Простота конструкции машин, достигаемая максимальным упрощением их структурной схемы.
2. Простота форм деталей, рациональный выбор материала и способа получения заготовок с целью экономии материала.
3. Оптимальные точность изготовления и шероховатость поверхности, уменьшение размеров обрабатываемых поверхностей.
4. Правильный выбор допусков и посадок, обеспечивающий взаимодействие деталей, взаимозаменяемость, соблюдение их размера для устранения подгоночных работ при сборке.
5. Максимальное использование стандартных и унифицированных узлов и деталей.
6. Уменьшение номенклатуры режущего и крепежного инструментов, используемых при механической обработке и сборке.
7. Необходимость обеспечения минимальных производственных и эксплуатационных расходов, определяющих эффективность буровой установки.
8. Экономия металла и других материалов путем снижения материалоемкости машин и оборудования.
9. Производительность механического бурения и спуско-подъемных операций, время, затрачиваемое на подготовительно-заключительные, вспомогательные и ремонтные работы.
10. Безопасность работы, легкость управления и обеспечение нормальных условий труда для обслуживающего персонала.
11. Буровая установка должна разбираться на транспортабельные и легко демонтируемые узлы.
12. Электрооборудование должно иметь взрывобезопасное исполнение.
Мы перед собой поставили задачу модификации основной части буровой установки: труб и долота, а также способа подачи растворного состава.
Уже известные изобретения относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин, особенно для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин и пород, представленных чередованием пропластков различной твердости.
Рис. 2. Буровое лопастное долото
При направленном бурении скважин с использованием забойного двигателя, оснащенного механизмом перекоса осей или кривым переводником между силовой и шпиндельной секциями, большое значение имеет характеристика «момент-нагрузка» бурового долота. Вследствие большой протяженности буровой скважины, ее изгибов и при повышении зенитного угла оси ствола скважины вес буровой колонны может распределяться на стенках скважины и не доходить до долота. По мере разгрузки буровой колонны с буровой установки вес колонны становится больше силы трения покоя о стенку скважины и происходит «срыв» бурильной колонны со стенок скважины. Это приводит к значительному скачку осевой нагрузки на долото. Таким образом, бурение наклонных и горизонтальных скважин проходит в условиях значительной неравномерности значений осевой нагрузки, прикладываемой к долоту. При этом происходит чрезмерное внедрение резцов в горную породу и значительное увеличение потребного для вращения долота крутящего момента. Если долото реагирует на изменение осевой нагрузки значительным изменением потребного крутящего момента, необходимого для его вращения, то это приводит к закручиванию бурильной колонны и неконтролируемому изменению угла плоскости установки отклонителя относительно оси скважины, то есть происходит потеря «управляемости». Становится трудно, а во многих случаях и невозможно, контролировать направление бурения скважины. Поэтому необходимо минимизировать скачки осевой нагрузки, что приведет к снижению резких колебаний крутящего момента, а следовательно, усилит управляемость и виброустойчивость долота. Виброустойчивость - это характеристика долота, препятствующая вращению долота вокруг центра, смещенного относительно геометрического центра долота, при котором резцы перемещаются в боковые стороны и обратно и подвергаются значительно повышенным ударным нагрузкам, разрушающим их. Другими словами, происходит перекатывание долота по стенке скважины - так называемое «вихревое» движение долота. Данный вид вращения описан в патенте США №4932484, МПК Е21В 10/26, 40/46, опуб. 12.06.1990 и патенте РФ №2092671, МПК Е21В 10/26, опуб. 10.10.97.
Известно буровое лопастное долото PDC (polycrystalline diamond cutters - поликристалические алмазные резцы) режущего типа, представляющее собой корпус с присоединительной резьбой к колонне бурильных труб, в котором имеется центральный канал с выходными отверстиями для подачи промывочной жидкости и поликристаллические алмазные резцы (PDC), расположенные на лопастях корпуса долота (патент США 6443249, МПК Е21В 0/46, опуб. 03.09.2002). Режущие элементы цилиндрической формы имеют на режущей кромке фаску увеличенного размера в виде усеченного конуса с определенным углом наклона. За счет наличия увеличенной фаски резец менее «агрессивен» в сравнении с обычным резцом и меньше внедряется в горную породу при увеличении осевой нагрузки. Однако применение известного долота не решает проблему, связанную с проводкой наклонно направленных и горизонтальных участков, крутящий момент данного долота все еще сильно зависит от осевой нагрузки.
В лопастных долотах PDC широко применяются различные ограничители глубины резания, призванные ограничить чрезмерное внедрение резцов в породу. Так, известны долота с ограничителями проникновения в виде бобышек, пулеобразных вставок, устанавливаемых рядом с резцами (патент США №5558170, МПК Е21В 10/46, опуб. 24.09.1996) и позади резцов (патент США №5265685, МПК Е21В 10/46, 10/58, опуб. 30.11.1993), причем в последнем случае ограничители могут находиться в постоянном контакте с горной породой. Ограничители проникновения позволяют снизить вероятность поломки резцов из-за чрезмерной нагрузки. Недостатком данных долот является слишком крутой характер изменения крутящего момента в зависимости от осевой нагрузки, так как ограничители небольшого размера легко внедряются в горную породу. К недостаткам данных долот можно также отнести и необходимость соблюдения высокой точности установки ограничительных элементов по высоте относительно резца. Это объясняется тем, что каждый резец при работе долота движется по спиральной траектории, а угол подъема спирали изменяется от нескольких градусов для резцов, расположенных у оси вращения, до нескольких долей градуса для резцов, расположенных дальше от оси вращения к периферийной части долота. Ограничители в данных долотах должны вступать во взаимодействие с горной породой при увеличении угла подъема спирали в диапазоне от десятых до сотых долей градуса. С учетом небольшого расстояния от режущей кромки резца до ограничителя, расположенного за резцом, необходимо очень точно выдерживать высотный размер установки ограничителя относительно резца.
Известно долото, где ограничителем глубины резания является бобышка, устанавливаемая перед резцом или группой резцов, расположенных на одной линии от центра долота к его внешней окружности (патент США №5595252, МПК Е21В 10/46, опуб. 21.01.1997). В данном случае значительно повышается точность задаваемых значений глубины резания. Недостатком данного долота является все еще неудовлетворительный характер зависимости «момент-нагрузка».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является буровое режущее долото, содержащее корпус с присоединительной резьбой к колонне бурильных труб, в котором имеется центральный канал с выходными отверстиями для подачи промывочной жидкости и поликристаллические алмазные резцы, расположенные на лопастях корпуса долота (патент США 6460631, МПК Е21В 10/46, опуб. 08.10.2002). Резцы, расположенные в центре долота, имеют уменьшенную высоту выступания относительно тела лопастей. В данном случае ограничителями проникновения служат лопасти долота. При увеличении осевой нагрузки, прикладываемой к долоту, увеличивается внедрение резцов в породу, поверхность лопастей в центральной части долота начинает приближаться к горной породе и при определенных значениях глубины резания начинает контактировать с ней. При дальнейшем увеличении глубины резания ширина, а следовательно, и площадь контактных дорожек растет. Глубина резания зависит от геометрии долота, прочности породы на сжатие и осевой нагрузки. Вследствие большой площади контактирующих поверхностей горной породе может передаваться нагрузка, в несколько раз превышающая необходимую для достижения данных значений глубины резания одними резцами. Так как контактные площадки расположены не по всему радиусу рабочей поверхности долота, а только вблизи оси вращения, то и момент, вызываемый силами трения в зоне контакта, сравнительно небольшой. Этим достигается пологий характер кривой «вращающий момент - осевая нагрузка».
К недостаткам данного изобретения относится постоянная величина выступа резца над лопастями долота. В связи с этой особенностью долото имеет два участка кривой «момент-нагрузка»: первый, где долото ведет себя как обычное режущее долото, и второй, где его характеристика приближается к характеристике шарошечного долота. Данный недостаток сильно проявляется при бурении наклонно направленных и горизонтальных участков скважины во время бурения пород, представленных чередованием пропластков различной твердости. Пример: Во время бурения из более мягкого в более твердый и прочный пропласток происходит уменьшение глубины проникновения резца в породу и теряется контакт лопастей с горной породой, долото начинает вести себя как обычное долото, вследствие чего ухудшается управляемость. Во время бурения из твердого пропластка в более мягкий происходит увеличение глубины проникновения резца в породу, а так как величина выступа резца над лопастями постоянна и рассчитана, например, для твердой породы и контактные площадки будут ограничивать скорость бурения в 2…3 раза против скорости, достижимой в данной породе все еще без потери управляемости. Устройство ограничителя проникновения резцов в горную породу по данному изобретению не улучшает виброустойчивость долота, так как не ограничивает смещение оси долота относительно скважины.
Использование данного изобретения позволяет обеспечить оптимальную механическую скорость бурения и управляемость долота PDC с повышенной виброустойчивостью как при бурении наклонно направленных и горизонтальных участков скважин, так при бурении пород, представленных чередованием пропластков различной твердости.
Новизна нашей установки заключается в том, что в стандартных установках используется 1 труба. Мы здесь используем такую систему, включающую две концентрично расположенные трубы, соединенные с долотами. Вращение труб и вместе с ними долот идет в противоположных направлениях.
Фото 1.
После сборки основных деталей установки, включаем мотор и начинаем бурение без раствора. В нашем макете мы берем трубу размером 2,5 м (размер нефтяной трубы-5м). Через 10 метров проходки вглубь (основная часть установки, которая передвигает трубы, поднимается вверх для забора следующей партии труб и так 4 раза). В конце 4 хода во внутреннюю трубу с помощью насоса подается вода, подогретая до 1000С, одновременно с помощью другого насоса во внешнюю трубу подается раствор, состоящий из бентонита, кальцинированной соды, каустической соды, гивпана, смазочной добавки, воды и голубой глины. Смесь необходима для укрепления стенок пробуриваемого отверстия. В то же время смесь помогает движению долота внутренней трубы. Это способствует эффективному бурению, так как смесь оказывает давление на внутренние лопасти долота.
Если эту систему использовать для добычи битума, то необходимо, чтобы в процессе бурения внутренняя спиралеобразная труба (приложение, рис. 2) после достижения битумного пласта пошла дальше, а внешняя труба осталась на месте. При этом насос, работающий на внешнюю трубу переключается в режим выкачивания.
Недостатки: 1. В дальнейшем необходимо подумать над вопросом, связанным с перепадами давления (чтобы трубы «не играли»).
2. На долотах необходимо продумать систему «предохранителей» (для поддержания одной трубы другой).
3. На буровой установке для добычи битума (а также нефти) будут установлены дополнительные опоры для труб, чтобы избежать потерь труб в момент бурения.
1. Подобрали материалы для изготовления макета: пластмассовые трубы, резиновые шланги, 2 готовый насоса, рассчитанных на 160 атмосфер (для внутренней трубы-подача воды, достигшей 1000С, вторая труба- для подачи раствора, состоящего из из бентонита, кальцинированной соды, каустической соды, гивпана, смазочной добавки, воды и голубой глины, воды), 2 электромотора мощностью 1 кВт, долота.
2. Изготовили вышку (раму) в форме квадрата размерами: 270Х270 мм с помощью сварочного аппарата (фото 2).
3. Собрали основной каркас установки: держатель, трубы с вертлюками, шланги, электромоторы, присоединил электрическую лебедку, изготовленную отдельно (фото 3).
4. Взяли 2 концентрично расположенные трубы различного диаметра (25 и 75 мм) (фото 4).
5. На концы труб вкрутил долота: 1 долото – зубчатая передача, 2 долото-лепестковая передача.
6. Вращение труб должно осуществляться во встречном направлении, поэтому вращение каждой трубы осуществляется от отдельного электромотора).
7. Вкрутили обе трубы с долотами в платформу.
8. Соединили шланги от вертлюков к насосу, а от насоса к воде.
9. Платформу с основной частью буровой установки зацепили тросом к лебедке.
10. Включили электромоторы и начали процесс бурения.
В результате проделанной мною работы, я самостоятельно в домашних условиях собрал действующую модель буровой установки с модернизированной основной частью. На мой взгляд, предложенная система, включающая две концентрично расположенные трубы, соединенные с долотами, и вращающиеся в противоположных направлениях с долотами, должна повысить эффективность бурения скважин, и, как следствие, увеличить нефтеотдачу пластов.
В ходе исследований и разработок были замечены недостатки, которые были описаны в п. 2.3. Данные недостатки станут предметом дальнейших моих исследований в области повышения эффективности бурения скважин.
1. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. – М: Недра, 1981. – 448 с. – учебник.
2. Рябчиков С.Я. Буровые машины и механизмы. –Томск: Изд. ТПУ, 1999. – 108 с. – учебное пособие.
3. Рябчиков С.Я. Проектирование буровых машин и механизмов. – Томск: Изд. ТПУ, 2008.- 114 с. – учебное пособие.
4. Рябчиков С.Я., Дельва В.А., Чубик Л.С. Практикум по буровым машинам и механизмам. – Томск: Изд. ТПУ, 2007.– 118 с. – учебное пособие.
5. Рябчиков С.Я. Машины и механизмы буровых геологоразведочных установок. – Томск: Изд, ТПУ, 1992. – 108 с. – учебное пособие.
6. Калинин А.Г., Власюк В.И., Ошкордин О.В., Скрябин Р.М. Технология бурения разведочных скважин. – М.: Изд. «Техника», ТУМА ГРУПП, 2004. – 528 с.
7. Блинов Г.А., Буркин Л.Г., Володин О.А. и др. Техника и технология высокоскоростного бурения. – М.: Недра, 1982. – 408 с.
8. Козловский Е.А., Дьяков А.Д., Петров Л.А. Механизация и оптимизация процессов бурения разведочных скважин. – М.: Недра, 1980.–349 с.
9. Козловский Е.А., Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В. и др. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. – м.: Недра, 1984. – 1 том, – 512 с.
10. Медведев Н.В., Гланц А.А., Григоревский А.С. Справочник механика геологоразведочных работ, – М.: Недра, 1987.– 444 с.
11. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. Под редакцией Е.А. Козловского. – С.-П.: Недра, 2000. – 712 с.
12. Пат. 2374420 Российская Федерация, МПК Е21В10/573. Буровое лопастное долото / Ишбаев Г.Г., Балута А.Г., Шарипов А.Н.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие «Буринтех» (ООО НПП «Буринтех». № 2008152613/03; заявл. 29.12.08; опубл. 27.11.2009
13.А.Н. Шандрыгин, М.Т. Нухаев, В.В. Тертычный. Разработка залежей тяжелой нефти и природного битума методом парогравитационного дренажа // НТС Нефтяное хозяйство. №6. 2006 г.
14. В.П. Табаков, Е.И. Гуров. Термошахтный метод разработки нефтяных и битумных залежей // НТС Нефтяное хозяйство. №3. 1993 г.
Фото 2
Фото 3
Фото 4
Рис. 3
Архимед изобрел винтовое водоподъемное устройство, позже названное винтом Архимеда. Это устройство поднимало воду с помощью вращающегося внутри трубы винта.При работе можно было выбрать между большим объемом поднимаемой воды или большей высотой подъема. Чем больше наклон винта, тем больше высота подачи при уменшении производительности.
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 665 120 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Окулина Надежда Ивановна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.