"Cинергия" эффективных решений

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Cинергия" эффективных решений

В. Назаров

Для поддержания текущих темпов добычи углеводородов в России необходимо увеличение объемов как разведочного, так и эксплуатационного бурения. Специалистам ясно, что с каждым годом нефтяным компаниям придется бурить во все более труднодоступных районах, а значит, потребуется компактная и легкая техника, которую без значительных затрат можно доставить в эти регионы.

To sustain current rates of hydrocarbons' production in Russia it's necessary to increase volumes of both prospecting and exploitation drilling. It's clear for experts that each year oil companies will have to drill in more hardly reachable areas, that means: there will be needed compact and light-weight technics that may delivered to these areas without considerable expenses.

Мобильность - требование времени

Завод «Синергия» известен как разработчик и изготовитель компактных плунжерных насосов. Не случайно в 2001 г. именно к нему обратилось ОАО «Башнефть» с предложением создать мобильную насосно-буровую установку с плунжерным насосом.

Нефтяников не устраивали, прежде всего, насосы, выпускавшиеся в то время в России. Типичный пример - низкооборотный поршневой насос НБТ-600, масса которого равна 14 тонн, а вся насосная установка с приводом, трансмиссией и манифольдом весит не менее 28 тонн. Этот негабаритный груз (а для вертолетов просто неподъемный) не может быть доставлен к удаленному месту работ без значительных затрат. Отсюда потери времени и большие материальные расходы при перебазировании буровых комплексов.

Проанализировав существующие буровые установки, руководители завода поставили задачу - создать оборудование, которое можно транспортировать без дополнительной разборки и ограничений как по автомобильным дорогам, так и в случае необходимости вертолетом. То есть его габариты не должны превышать 10 х 2,5 х 3 м, а масса - 18 тонн.

Анализ конструкции существующих буровых насосов и установок показал, что основная причина больших габаритов и веса - тихоходность. Буровые насосы в своем подавляющем большинстве сегодня поршневые. В них используется уплотнение по подвижной кромке поршня, к которой Размещено на http://www.allbest.ru/

практически невозможно подвести смазку (рис. 1). Возникает сухое трение, и при увеличении скорости перемещения поршня происходит его ускоренное разрушение. Именно из-за этого на поршневом насосе нельзя повысить обороты, чтобы снизить его массу и габариты.

Рис. 1. Уплотнение поршня в цилиндровой втулке

Плунжерные же насосы выгодно отличаются от поршневых тем, что имеют целый пакет уплотнений с несколькими кромками, на которые распределяется нагрузка. Поскольку пакет неподвижен, к нему легко подвести смазку (рис. 2). Она в разы снижает коэффициент трения, существенно повысив стойкость пакета уплотнений и самого плунжера. И самое главное - смазка дает возможность значительно увеличить скорость перемещения плунжера, а следовательно, и обороты насоса: со 100 - 160 об/мин у поршневых до 300-320 об/мин у плунжерных.

Рис. 2. Уплотнение плунжера

Теперь обратимся к теории. Рассмотрим известную формулу:

N=Mxn, (1)

где N - передаваемая мощность, М - крутящий момент, п - число оборотов в единицу времени.

Из формулы следует, что при одной и той же мощности с увеличением оборотов снижается крутящий момент, а значит, и передаваемые усилия. В нашем случае это эквивалентно снижению веса и габаритов.

Скольжение против качения

Следующая причина большого веса и, кстати, малого ресурса поршневых насосов - подшипники качения, традиционно используемые в их кривошипно-шатунном механизме (КШМ, рис. 3). Малые обороты насоса вынуждают производителей использовать именно подшипники качения, которые из-за высоких рабочих нагрузок должны иметь очень большие размеры. Между тем крупноразмерные подшипники изготавливаются с большими погрешностями в размерах роликов и колес и, соответственно, имеют большие зазоры. Как следствие получаем неравномерное распределение нагрузок на ролики. Кроме того, циклический характер нагрузок в насосах крайне отрицательно сказывается на работоспособности подшипников. Все перечисленное ограничивает ресурс их работы интервалом до 5 - 6 тыс. часов.

Рис. 3. КШМ поршневого насоса с подшипниками качения

Рис. 4. КШМ плунжерного насоса с подшипниками качения

С увеличением оборотов на плунжерном насосе, естественно, представляется целесообразным перейти на коленчатый вал с подшипниками скольжения (рис. 4). Такие подшипники дают следующие преимущества:

жидкостное трение взамен полусухого у подшипников качения. При жидкостном трении поверхности вала и подшипника разделены сплошной масляной пленкой. Рабочие поверхности непосредственно не соприкасаются, благодаря чему снижается их износ, значительно повышается ресурс подшипников;

возможность минимизировать радиальные размеры и массу благодаря разборной конструкции;

высокая демпфирующая способность при воздействии циклических нагрузок;

бесшумность в работе.

При этом механическая часть насоса становится намного компактнее, а самое главное - значительно повышается ее рабочий ресурс: в 2 - 3 раза, до 20 тыс. моточасов. В таблице показано, что при сходных рабочих характеристиках массогабаритные показатели плунжерных насосов оказываются в разы лучше.

Табл. Сравнительные характеристики поршневого и плунжерного насосов одинаковой мощности

Передать крутящий момент

Третья причина больших габаритов и веса типовых поршневых насосов - неудачная трансмиссия. Традиционно в буровых установках трансмиссия насоса состоит из внешней клиноременной передачи и внутренней зубчатой передачи (разнесенный шеврон). Все это выливается в большие объемы, очень значительный вес и необходимость постоянного контроля за ремнями, их частой регулировки и замены. В силу перечисленных недостатков для мобильной насосной установки подобная схема не годится.

Рис. 5. Планетарный механизм

1 - солнечное колесо, 2 - сателлиты, 3 - вал центрального насоса, Н - вал водила плунжерный насос поршневой подшипник

Как выяснилось, создание легкого, компактного и надежного насоса - это только полдела. Много времени и усилий было затрачено на правильный выбор трансмиссии для привода. В ходе поиска оптимальной конструкции специалисты завода «Синергия» пришли к необходимости использовать планетарные редукторы (рис. 5), которые имеют следующие полезные особенности:

нагрузка в планетарных передачах передается одновременно несколькими сателлитами. Соответственно, действующие на зубья колес силы кратно уменьшаются, что позволяет использовать колеса меньших габаритных размеров и массы;

в планетарных передачах рационально используются колеса внутреннего зацепления, обладающие большей (по сравнению с колесами наружного зацепления) нагрузочной способностью;

равномерное распределение сателлитов по окружности приводит к уравновешиванию радиальных сил, действующих на колеса, и, следовательно, к разгрузке подшипников центральных колес и водила.

Увеличение оборотов насоса сделало возможным снизить коэффициент редуцирования. Это позволило отказаться от сложной устаревшей схемы с клиноременной передачей и встроенным шевроном (рис. 6) в пользу одного планетарного редуктора (рис. 7). Тем самым трансмиссия была значительно упрощена, а ее габариты и масса - существенно уменьшены.

Рис. 6. Трансмиссия поршневого насоса

Рис. 7. Трансмиссия плунжерного насоса

Отметим также, что немаловажную роль в буровой насосной установке играет трубопроводная обвязка - по напорной и приемной линиям. На сегодня у нас имеются как вся запорная арматура, так и соединительные элементы, позволяющие собирать и разбирать без сварки манифольд диаметром 3 дюйма на напоре и 4 дюйма на приеме.

Не секрет, что эффективность труда напрямую связана с его условиями, поэтому все насосные буровые установки завода «Синергия» снабжаются жестким теплым укрытием. Сплошное пенополиуретановое покрытие обеспечивает эффективную теплоизоляцию (рис. 8), что создает комфортные условия для обслуживающего персонала зимой и летом.

В сочетании с планетарной трансмиссией компактные плунжерные насосы имеют следующие преимущества перед поршневыми:

насосную установку можно разместить на обычном полуприцепе, который позволит транспортировать ее по дорогам общего пользования без каких-либо ограничений. При этом общая масса установки с полуприцепом не превысит 20 тонн;

конструкция установки не требует каких-либо монтажных работ при переезде. После доставки на место нужно лишь подключить приемную и напорную линии (сБРС) и кабели электрического снабжения. Все это значительно сокращает время переезда и снижает затраты;

рабочий ресурс основных сменных элементов (быстроизнашиваемых деталей) рассчитан так, чтобы во время бурения не требовалось никакого обслуживания. Тем самым практически исключается простой оборудования из-за отказа насосной установки. Обслуживание насоса можно выполнять в ходе переезда одним человеком в течение полутора часов.

Рис. 8. Мощная установка с насосом СИН61, четырехскоростным планетарным редуктором СИН58 и дизелем ЯМ38502

На сегодня на базе насосов СИН63 и СИН61 созданы два типа насосных установок: с дизельным приводом мощностью до 400 л. с. для бурения боковых стволов и с приводом до 800 л. с. для эксплуатационного бурения (рис. 8). Последняя обеспечивает давление 32 МПа и подачу 46 л/с при габаритах 8,7 х 2,5 х 2,9 м и массе 13,8 тонн, тем самым полностью удовлетворяет требованиям, указанным нами в начале статьи.

По просьбе заказчика насосные установки могут быть изготовлены с регулируемым электрическим приводом, двигателями постоянного тока или асинхронными мощностью до 630 кВт. Общий рабочий ресурс до капитального ремонта составляет 20 тыс. ч, или 10 лет.

В 2012 г. заводом «Синергия» разработана документация и начато изготовление нового бурового насоса СИН71 с гидравлической мощностью 1000 кВт с производительностью до 60 л/сек и рабочим давлением до 40 Мпа, т.е. сделан еще один шаг в направлении применения плунжерных насосов в бурении эксплуатационных скважин.

В настоящий момент буровые насосные установки завода «Синергия» работают в «Татнефти», «Башнефти», Оренбургской буровой компании, БК «Евразия» (Пермский филиал), «Анега-Бурении», Национальной буровой компании, IDS, «Самотлорнефтепромхиме» и на других предприятиях. По отзывам из перечисленных организаций, ресурса основных быстроизнашиваемых деталей хватает на два боковых ствола или один основной.

В ходе создания мобильных буровых насосных установок на заводе был освоен целый ряд новых передовых технологий, установлено специальное оборудование. Например, сегодня мы можем шлифовать уникальные коленчатые валы, крупные резьбы и зубчатые колеса. Специальные обрабатывающие центры способны обрабатывать крупногабаритные сборки с высокой точностью и минимальными затратами времени. Литейное и кузнечно-прессовое производство позволяют получать сложные заготовки с минимальными припусками. Разнообразные виды термической и химической обработки обеспечивают необходимые износостойкость и прочность деталей. В итоге энергооснащенность (мощность на килограмм веса) насосных установок завода «Синергия» как минимум в три раза выше, чем у типовых установок с поршневыми насосами, не только за счет удачных конструкторских решений, но и благодаря высокому технологическому уровню производства.

Размещено на Allbest.ru