Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, нефтегазовый сектор в России остается одним из ведущих в мировой экономике. Существующие запасы углеводородного сырья в стране остаются на высоком уровне, однако огромное внимание по-прежнему уделяется разведке и освоению новых месторождений, а также увеличению потока углеводородного сырья в секторе экономике нашей страны. В современных условиях повышение надежности и эффективности буровых работ становится стратегически важной задачей, решение которой приобретает особую актуальность и напрямую влияет на развитие конкурентоспособности нефтегазовой отрасли нашей страны. Бурение скважин является одним из ключевых процессов для разведки и добычи углеводородных ресурсов, напрямую сопряженных с высокими рисками для персонала и требующих постоянного контроля и ручного вмешательства в процессе произведения спуско-подъемных операций (далее – СПО) и работ по свинчиванию-развинчиванию бурильных труб. Работы, связанные с бурильными трубами, являются наиболее энергозатратными и потенциально опасными этапами в процессе бурения.
Захватные устройства (далее – ЗУ) являются одним из важнейших исполнительных органов промышленных роботов (далее – ПР), которые необходимы для взаимодействия с объектом манипулирования (удержание, перемещение в пространстве, вставление, установка и другие действия, предназначенные для приведения в состояние, необходимое для выполнения последующих технологических операций), к ним, в частности, относятся технологические оснастки и производственные предметы [1].
На максимальную эффективность и качество выполняемых операций влияет правильный подбор ЗУ, который производят по ГОСТ Р 6.5.9.1 – 2023 [2]. Данный стандарт предназначен для установления: типов и номенклатуры основных параметров; типов и присоединительных размеров механических интерфейсов захватных устройств, предназначенных для сервисных роботов. Классификация ЗУ производится по критериям, представленным на рисунке 1.
Рисунок 1. Классификация ЗУ согласно ГОСТ Р 6.5.9.1 – 2023 [2]
Для разработки собственного прототипа захватного устройства рассмотрены существующие решения в различных областях промышленности. Так, авторами [3] разработан механизм (рисунок 2), предназначенный для автоматизированного захвата, подъема и перемещения лесных грузов (бревен, хлыстов) при выполнении погрузочно-разгрузочных работ на лесопилках, складах и в других отраслях лесной промышленности. Главное преимущество этого устройства – специальная вращающаяся втулка (вертлюг) с каналами для подачи жидкости, что позволяет захвату свободно поворачиваться вокруг своей оси без перекручивания шлангов.
Рисунок 2. Гидравлический захват манипулятора: 1 – корпус захвата; 2 – челюсти; 3 – тяга синхронизатора; 4 – поршневая полость гидроцилиндра; 5 – втулка; 6 – ось; 7 – упоры; 8 – рукава высокого давления; 9 – уплотнения
На данный момент для автоматизации буровых работ в части свинчивания-развинчивания бурильных труб компаниями разработано устройство «Iron Roughneck» [4] Данное устройство обеспечивает широкий функционал выполняемых работ, а также обеспечивает безопасную и эффективную работу с бурильными трубами. Данная разработка нашла широкое применение в эксплуатационном и разведочном бурении, а также осложненных условиях работы на морских платформах, так как конструкция Iron Roughneck, представленная на рисунке 3, обеспечивает широкий функционал [4].
Рисунок 3. Захватное устройство «Iron Roughneck» [4]
Значительным преимуществом использования данного устройства является простота обслуживания в сравнении с традиционным оборудованием и, как следствие, исключение простоя оборудования, экономия средств на ремонт или замену.
Для разработки прототипа захватного устройства для свинчивания-развинчивания бурильных труб, примем за основу ЗУ механического типа, которые применяются для транспортировки, монтажа, свинчивания и развинчивания труб различного класса.
Разработка прототипа захватного устройства
Для корректного подбора схемы захватного устройства важно учесть целый ряд параметров: характеристики объекта манипулирования (вес бурильной трубы, длину, ее форму), скорость перемещения трубы в рабочее положение, а также свойства поверхности детали. Масса труб является фиксированным параметром и зависит от наружного диаметра и толщины стенки трубы. Согласно ГОСТ 32696-2014 [5] наружный диаметр бурильных труб варьируется от 73,02 мм до 168,3 мм с различной толщиной стенки.
При проектировании захватного устройства используется труба с внешним диаметром 88,9 мм, толщиной стенки 9,4 мм и приблизительной расчетной массой 18,34 кг на один погонный метр трубы. Расчет параметров транспортируемой бурильной трубы происходил согласно схемам, представленным на рисунках 4 и 5.
Рисунок 4. Расчетная схема механического захватного устройства
Рисунок 5. Статическая картина приложенных нагрузок
Результат расчета массы трубы и приложенных нагрузок представлены в таблице 1.
Таблица 1. Масса трубы и прилегающие нагрузки
Для определения усилия в местах контакта бурильной трубы с рабочими элементами проектируемого захватного устройства необходимо выявить, какие усилия возникают и в каких точках они приложены.
В момент захвата трубы и перемещения ее в горизонтальном положении центр масс объекта перемещения (трубы) совпадает с центром схвата. На рисунке 6 представлена принципиальная схема закрепления бурильной трубы в ЗУ (в трех плоскостях) с приложенными нагрузками:
Рисунок 6. Закрепление бурильной трубы в ЗУ
Для корректного распределения силы захвата рассчитаем три основные силы: осевую (направления вдоль оси захватного устройства); нормальную (перпендикулярно оси захватного устройства); бинормальную (перпендикулярно области захвата) [6]. После расчета направленных сил, рассчитаем полную нормальную силу и силу трения. Результаты расчета приведены в таблице 2.
Таблица 2 Приложенные силы на транспортируемую трубу
Также на рабочие элементы ЗУ, фиксирующего бурильную трубу, действуют реакции
от нормальной силы и силы трения, для расчета данных реакций использовалась схема, представленная на рисунке 7.Рисунок 7. Расчетная схема для определения усилия захватывания (удержания):
а – направления действия нормальной силы и силы трения;
б – горизонтальные и вертикальные проекции нормальной силы и силы трения с учетом плеч действия сил
Результаты расчетов приведены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты расчета усилия захватывания
Также проведены прочие расчеты характеристик ЗУ, результаты которых приведены в таблице 4
Таблица 4 Рассчитанные характеристики захватного устройства
Вращение роликов можно обеспечить несколькими способами. Использование открытых механических передач является нерациональным, так как проектируемое захватное устройство работает в осложненных условиях (на месторождении).Таким образом, использование гидромотора в качестве привода роликов, является наиболее оптимальным вариантом, так как при проектировании узла свинчивания захватного устройства мы ограничены габаритными размерами используемого привода роликов. На основе рассчитанного крутящего момента на одном ролике выполним подбор гидромотора, удовлетворяющего заданным параметрам. В каталоге «МС ГИДРАВЛИК» [7] по заданному значению крутящего момента подберем гидромотор МТ – 630С/4 с крутящим моментом Mкр = 130 Н⸱м, Поскольку подобранный гидромотор не обеспечивает требуемый крутящий момент для свинчивания бурильных труб, необходимо его повысить посредством установки планетарного редуктора, обладающего малыми габаритами в сравнении с гидромотором, который сможет обеспечить необходимый момент. Требуемые характеристики редуктора приведены в таблице 5.
Таблица 5. Требуемые характеристики планетарного редуктора
Для обеспечения движения удерживающего механизма бурильных труб – щупалец используется параллельная зажимная конструкция с двумя гидравлическими цилиндрами, устройство которой представлено на рисунке 8.
Рисунок 8. Устройство гидравлического цилиндра
Моделирование прототипа захватного устройства и его составных элементов для свинчивания-развинчивания бурильных труб производилось с использованием САПР «SOLIDWORKS».
Основной задачей авторов является разработка конструкции универсального захватного устройства для бурильных труб всех типоразмеров. За основу проектирования взята труба с диаметром 89 мм и длиной 8 метров, представленная на рисунке 9.
Рисунок 9. Бурильная труба
Модель бурильной трубы являлась «отправным звеном» для проектирования составных частей захватного устройства. Так, исходя из длины трубы выбирались габаритные размеры опоры и выдвижного механизма, а также оптимальная форма щупалец, геометрия которых определяет контакт с бурильной трубой и распределение нагрузок, и роликов.
Также для нее смоделированы: ниппель с наружной конической резьбой и муфта с внутренней конической резьбой, образующие замковое соединение. Модели этих элементов представлены на рисунках 10 и 11.
Рисунок 10. Ниппель.............................................................Рисунок 11. Муфта
После создания 3D-модели бурильной трубы спроектирован исполнительный элемент ЗУ – щупальце для захвата и удержания трубы (рисунок 12). Движение щупальца обеспечивается за счет гидроцилиндров, симметрично расположенных с внешней стороны.
Рисунок 12. Конструкция щупальца с элементом крепления для гидропривода
Следующим важным этапом являлось проектирование роликового захвата, который обеспечит проведение необходимых технологических процессов с бурильной трубой. Для передачи крутящего момента на трубу устанавливается 6 приводных роликов, вращение которых обеспечивается посредством установки гидромотора в паре с планетарным редуктором (рисунок 13). Также особое внимание уделено созданию универсального узла, позволяющего работать с трубами разных диаметров.
Рисунок 13. Захват с приводными роликами, обеспечивающий свинчивание бурильных труб
Выдвижной механизм, представленный на рисунке 14, предназначен для захвата трубы, находящейся в столе ротора, и обеспечения центрирования резьбового соединения. Его возвратно-поступательное перемещение обеспечивается посредством гидроцилиндра, установленного с внешней стороны.
Рисунок 14. Выдвижной механизм для захвата трубы, установленной в столе ротора
Смоделирована опора ЗУ, являющаяся силовой основой узла и выходным звеном в роботе-манипуляторе. Смоделирована жесткая сварная конструкция, воспринимающая изгибающие и крутящие моменты от приводов и вес объекта манипулирования, с креплениями для всех составных узлов захватного устройства (рисунок 15).
Рисунок 15. Опора захватного устройства
Итоговая сборка прототипа захватного устройства для свинчивания-развинчивания бурильных труб представлена на рисунке 16.
Рисунок 16. Прототип захватного устройства для свинчивания-развинчивания бурильных труб
Гидроцилиндры, обеспечивающие возвратно-поступательное движение щупалец и выдвижного механизма представлены на рисунке 17.
Рисунок 17. Гидроцилиндры, обеспечивающие движение рабочих элементов ЗУ
Таким образом, спроектировано универсальное захватное устройство, позволяющее проводить свинчивание-развинчивание бурильных труб различных типоразмеров. Главным преимуществом данного ЗУ является его универсальность, простота конструкции и минимальные экономические затраты на внедрение его в технологическую цепочку проектирования скважины.
Литература
1. Козырев Ю.Г. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов: учебное пособие / Ю.Г. Козырев. – М.: КНОРУС, 2010. – 312 с.: ил.
2. ГОСТ Р 60.5.9.1 – 2023 Роботы сервисные. Устройства захватные. Типы, номенклатура основных параметров, присоединительные размеры. – М., 2023. – 12 с.
3. Патент № 2231440 C2 Российская Федерация, МПК B25J 15/08, B66C 1/42. гидравлический захват манипулятора: № 2002122630/02: заявл. 22.08.2002: опубл. 27.06.2004 / В.Г. Мельников, Г.Я. Ложкин.
4. Железные головорезы
5.ГОСТ 32696 – 2014 Трубы стальные бурильные для нефтяной и газовой промышленности. Технические условия. – М., 2015. – 90 с.
6. Расчет механических захватных устройств промышленных роботов. Методические указания / А.Г. Кравцов – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2018 – 46 с.
