Анализ тенденций развития и постановка задачи проектирования

       1 Анализ тенденций развития и  постановка задачи проектирования 

       1.1 Функциональное назначение и  область применения бурового  крюка и крюкоблока 

       Буровой  крюк  является подвижным узлом  талевой системы. Буровой  крюк предназначен для  подвешивания бурильных и обсадных колонн.

       В процессе бурения крюк  удерживает подвешенный на штропе вертикально перемещающийся вертлюг с вращающейся бурильной  колонной; воспринимает крутящий момент, возникающий на опоре вертлюга, при вращении бурильной колонны ротором; обеспечивает автоматическое запирание центрального рога после ввода в него штропа вертлюга, когда ведущая труба находится в шурфе при переходе  от  СПО к бурению, или, наоборот, освобождает штроп вертлюга с ведущей трубой, устанавливаемых в шурф при переходе от бурения к подъему; надежно удерживает в зеве крюка штроп вертлюга при внезапных остановках в скважине спускаемой колонны.

       При операциях спуска и подъема крюк обеспечивает: надежное удерживание штропов при спуске и подъеме бурильной или обсадной колонны; легкое поворачивание крюка и  манипулирование им в процессе захватывания и освобождения свечей; разгрузку резьб замковых соединений от веса свечи при ее отвинчивании от  бурильной колонны; автоматический подъем отвинченной от колонны свечи на  высоту, несколько  большую длины замковой резьбы; автоматическую установку элеватора в заданной позиции для захвата очередной свечи из-за пальца вышки или при подъеме для освобождения свечи.[2]

       Крюки используются также для подъема  и подтаскивания мелких грузов, применяются при монтажных и демонтажных работах на  буровых. Буровые крюки относятся к механизмам грузоподъемного оборудования и должны быть испытаны на заводах – изготовителях при   нагрузке, на 25% превышающей номинальную грузоподъемность. [2] 

       1.2 Особенности условий эксплуатации буровых крюков и крюкоблоков, основные причины их  отказов 

       Эксплуатация  буровых крюков в условиях Крайнего Севера ставит их в положение  активного  и, как правило, весьма неблагоприятного воздействия климатических факторов, к главнейшим из которых относятся низкие температуры, суточные и годовые перепады этих температур, скорость ветра и влажность.

       Одной из главных причин увеличения параметра  потока отказов буровых крюков в  зимние месяцы являются учащенные  хрупкие разрушения  стальных деталей, являющиеся следствием перехода при низких температурах металла этих деталей из вязкого состояния в хрупкое.

       Низкотемпературная  хрупкость или хладноломкость  сталей зависит от химического состава  и структуры металлов. Стали, легированные никелем, ниобием, марганцем, хромом, менее склонны к низкотемпературной хрупкости, так как присадки способствуют образованию мелкозернистых структур. Так основными марками сталей, применяемых при изготовлении деталей бурового крюка, являются 35Л, 35ХГС, 40ХЛ и др.

       На  рисунке 1 показан буровой трехрогий  крюк резьбовой конструкции.

       Основными неисправностями крюков могут быть следующие: не обеспечен ход крюка 130-145мм, что вызвано либо ослаблением пружины 1, либо ее поломкой; не закрывается защелка крюка, состоящая из корпуса 2, стопора 3 и  пружины 4, что чаще всего является следствием поломки пружины 4; крюк не фиксируется от  проворачивания стопором поворота 5, снабженным пружиной 6, что происходит при поломке пружины 6 или стопора 5. Все эти неисправности выявляются при проверке технического состояния крюка. Вышедшие из строя детали заменяют новыми.

       1.3 Анализ параметров и технических  характеристик буровых крюков и крюкоблоков отечественных и зарубежных производителей 

       При бурении нефтяных и газовых скважин  время на спуско-подъемные операции занимает до 30% общего производительного времени проходки скважин. По мере увеличения глубины, доля  приходящаяся на это время, быстро возрастает, что отрицательно сказывается на таких важных показателях, как коммерческая скорость и  стоимость 1м проходки. Одним из резервов сокращения времени, затрачиваемого на спуск и  подъем инструмента, является правильный выбор веса талевой системы, обеспечивающий спуск порожнего элеватора. Фактические скорости спуска порожнего элеватора в среднем колеблются в пределах 0,6 ¸ 0,9 м/с, что совершенно недостаточно для современных темпов бурения. Вес подвижной части должен быть подобран таким образом, чтобы средняя скорость  спуска элеватора была не ниже  1 ¸ 1,2 м/сек. В таблице 1 показана сравнительная характеристика буровых крюков выпускаемых в России и США.

       Из  таблицы 1 видно, что бурильные крюки  отечественной конструкции имеют  на 1 т  грузоподъемности вес несколько  меньший, чем современные американские бурильные крюки соответствующих грузоподъемностей, что существенно облегчает труд “верхового” рабочего.

       Можно сделать вывод, что нормальная скорость спуска крюка с талевым блоком зависит не только от их абсолютного  или относительного веса, но и от других факторов:  количества и  диаметра канатных шкивов, совершенства тормозной системы лебедки, жесткости и диаметра применяемого каната. 

       1.4 Конструктивные особенности буровых крюков отечественных и зарубежных производителей 

       В России бурильные крюки выпускают  двух конструкций : резьбовые и безрезьбовые.

       Крюки бывают одно-, двух- и трехрогие. В  буровых установках для глубокого бурения применяются только трехрогие крюки. Двухрогий крюк входит в комплект установки БУ – 50 Бр – 1, однорогие крюки применяются в установках для структурно-поискового бурения. В настоящее время в бурении в основном применяются трехрогие бурильные крюки, являющиеся универсальными. У них основной рог предназначен для бурения, так как на него надевается штроп вертлюга, а два боковых – для штропа элеватора.

       По  способу изготовления буровые крюки бывают литыми, коваными или пластинчатыми. В России крюки грузоподъемностью более 1250 кН выпускаются пластинчатыми, так как их преимущество – это их повышенная надежность. Если  в одной из пластин возникает усталостная трещина, то она повреждает только одну пластину и распространяется до границы с соседними пластинами. В монолитных крюках возникшая усталостная трещина представляет серьезную опасность для целостности всей конструкции.

       На  рисунке 2 показан бурильный трехрогий  крюк резьбовой конструкции. Собственно рог крюка представляет собой сборку, состоящую из основного рога 1 и пальца-траверса 27. Основной рог 1 выполнен из нескольких легированных стальных пластин. Пластины соединены между собой заклепками 3 и образуют  монолитный рог. От повреждения штропом вертлюга зев основного рога 1 защищен литым седлом 29, прикрепленным к рогу двумя заклепками. Самопроизвольный выход штропа вертлюга из зева основного рога 1, предупреждает защелка.  Защелка состоит из корпуса 28, стопора 6 и  пружины 7.  Для подвешивания штропов элеватора на крюк в основной рог запрессован палец-траверса 27, застопоренный планкой 2. Для защиты штропов элеватора от соскакивания к концам пальца – траверсы крепятся  серьги 26 заклепками 32, которые, соединяясь с пальцем 25 при помощи болтов 30, образуют два закрытых боковых рога. Палец 25 удерживается от выпадения, с одной стороны, буртом, а с другой, - стопорной планкой 4. Рог крюка 1 подвешивается шарнирно к стволу 16 при помощи пальца-шарнира 23, который крепится стопорной планкой 5. Палец-шарнир 23 смазывается через отверстие в торце, которое глушится пробкой 24. Корпус крюка 9 представляет собой литую  стальную деталь с двумя карманами, в которых шарнирно закрепляются ветви штропа 15 на осях штропа 21. Оси штропа 21, для предотвращения осевого перемещения, поддерживаются планками 14, приравненными к  корпусу крюка. Ось штропа 21 смазывается через штуцер 22, который с торца глушится пробкой. Корпус крюка 9 имеет внутри кольцевую площадку, на которой помещается упорный шарикоподшипник 20. Подшипник 20 смазывается через отверстия в корпусе крюка 9, которые глушатся пробкой. В центральной части корпуса крюка 9 помещается стальной литой стакан 31, который фланцем упирается в верхнее кольцо подшипника 33. Внизу стакана имеется кольцевая канавка для полухомутов 8, ограничивающих осевое перемещение стакана. Полухомут 8 имеет бобышку,  в которой помещается стопор 18 с пружиной 19. Под действием пружины 19 стопор 18 входит в одно из восьми глухих отверстий и стопорит стакан от  проворачивания. В стакан 31 через пружину 19 и  гайку 13 подвешивается ствол 16. Снизу пружина 17 упирается в кольцевую площадку стакана, а сверху – в торец гайки 13, навинченной на  резьбовой конец ствола 16 и застопоренной планкой при помощи болтов 10. Чтобы ствол 16 не проворачивался в стакане, на фланце гайки 13 имеются две прорези, в которые заходят две шпонки 12. Для предохранения от  загрязнения и попадания влаги сверху стакан 31 закрыт крышкой 11.

       Крюки резьбовой конструкции имеют  ряд существенных недостатков:

       – резьба на стволе и на гайке уменьшает прочность сопряженных деталей вследствие большой концентрации напряжений;

       – относительно большой вес крюков на тонну грузоподъемности нежелателен с точки зрения экономии металла, а также создаёт тяжёлые условия для труда верхового рабочего;

       – расход большого количества стального  литья;

       – в связи с тем, что крюк не обтекаемой формы и при спускоподъёмных  операциях направлен к верховому  рабочему боком, имеются случаи ударов торца замка труб о карманы литого корпуса, то есть траверсы.

       При проектировании трёхрогих бурильных  крюков безрезьбовой конструк-

       ции ставились следующие задачи:

       – создание прогрессивной конструкции на основе современной техники;

       – создание безопасной конструкции;

       – облегчение труда верхового рабочего при подтаскивании им элеватора со штропами, а вместе с ними и крюка на себя, то есть получение минимального веса крюка на одну тонну грузоподъёмности;

       – уменьшение веса стального литья  путём замены литых деталей сварнолитыми и ковано-сварными конструкциями;

       – создание конструкции обтекаемой формы;

       – облегчение и ускорение процессов  сборки и разборки;

       – получение минимальной трудоёмкости при изготовлении деталей крюков;

       – снижение себестоимости изготовления крюков.   

       На рисунке 3 показан бурильный трехрогий крюк безрезьбовой конструкции. Принципиальное конструктивное отличие безрезьбовых крюков от резьбовых заключается в следующем. Ствол крюка 6 состоит из вильчатой части, стержня и бурта. На стволе отсутствует резьба, несущая основную нагрузку, и, следовательно, исключается возникновение концентрации напряжения от нарезки резьбы и разрыв ствола крюка в резьбе. На верхнем конце ствола 6  растачивается небольшое углубление, в которое помещают палец-шпильку 3 с шарнирным окончанием. Чтобы палец-шпилька не выскакивая из гнезда ствола 6, его закрепляют сквозной гайкой 8, наворачиваемой на ствол 6. Гайка 4 опирается на упорную шайбу 5, которая подпирается пружиной 7. В верхней своей части гайка 4 с пальцем-шпилькой 3 шплинтуется. В результате такой конструкции все усилия изгиба, возникающие вследствие  технологических погрешностей  пружины, а также скручивания, возникающие при осадке пружины 7, компенсируются путем наклона пальца-шпильки 3 набок или поворота вокруг своей оси вместе с гайкой 4 и упорной шайбой 5.

         Все безрезьбовые крюки на  заводе «Бакинский рабочий» выпускаются  с шарнирным устройством пальца-шпильки  ствола.

       В таблице 2 приведена сравнительная  характеристика современных бурильных крюков резьбовой и безрезьбовой конструкций, выпускаемых в

       России. Из таблицы видно, что крюки безрезьбовой конструкции имеют минимум стального литья и меньший вес по сравнению с крюками резьбовой конструкции при прочих равных величинах технических характеристик.

       В настоящее время зарубежными фирмами, как и отечественными выпускаются бурильные крюки как резьбовой так и безрезьбовой конструкций.

       На  рисунке 4 показан буровой крюк производимый в США фирмой “Biron Jackson” из серии “ Dinaplex ”.

       В серии крюка “Dinaplex” представлены 5  моделей следующих грузоподъемностей: 91 т, 136 т,  227 т,  318 т, 454т.

       Конструкция и особенности крюков “Dinaplex” по существу одинаковы для всех моделей данной серии. Особенностями серии крюков “Dinaplex” являются гидравлический амортизатор 1 и установочное приспособление 2.

       Гидравлический  амортизатор 1 исключает срыв бурильных  труб во время извлечения из скважины, тем самым предотвращая повреждения  бурильных замков. А установочное приспособление 2 автоматически поворачивает элеватор в необходимое “верховому” рабочему положение для удобства захвата следующей свечи труб при бурении скважин, тем самым облегчая труд “верховому” рабочему.

       Установочное  приспособление 2 является обязательной принадлежностью только крюка грузоподъемностью 91 т. Для всех остальных крюков это устройство поставляется по необходимости.

       В таблице 3 представлены весовые характеристики крюков серии “Dinaplex”. Кроме серии “Dinaplex” фирмой “ Biron Jackson ” производятся серии: “Super Triplex”, “Duplex” и “Unimatic”.

       Для лучшего использования размеров буровой применяют крюки серии “Unimatic”. В этой серии представлены 4 модели следующих грузоподъемностей: 68 т, 91 т, 136 т, 227 т. Конструкция крюка “Unimatic” обеспечивает непосредственное соединение с различными талевыми блоками.

       Рассмотрев  отечественные и зарубежные конструкции бурильных крюков, можно дать их сравнительный качественный анализ.

       Зарубежные  фирмы, так же как и отечественные  уделяют значительное внимание совершенствованию  эксплуатационных качеств крюков. Все  крюки фирмы “Байрон Джексон” снабжены гидравлическими амортизаторами для исключения повреждения бурильных замков. А так же установочным приспособлением, для облегчения труда “верхового” рабочего. Конструкция подобного “установочного приспособления”, разработанная КБ завода “Бакинский рабочий”, проще американской и легче на 15–20 кг.