ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИКИ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГИБКИХ ТРУБ КОЙЛТЮБИНГОВЫХ АГРЕГАТОВ
А. МОЛЧАНОВ, В. ПЕТРОВ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина Д. СИМЧЕНКО, СК ООО ТПК "Нефтегазовые системы"
Наиболее ответственным узлом агрегатов подземного ремонта скважин, а также буровых установок нового типа является устройство, обеспечивающее принудительное перемещение колонны гибких труб и удержание ее в период выполнения спускоподъемных и технологических операций. Для этого предназначен узел, называемый транспортером или инжектором.
Известно много типов принципиальных схем и их конструктивных вариантов для транспортеров, однако многолетний опыт эксплуатации койлтюбинговых агрегатов показал, что наиболее оптимальными являются схемы, в которых используются гибкие элементы, несущие на себе плашки. В качестве таких элементов
применяют одну или две двухрядные втулочно-роликовые цепи, несущие на себе плашки. Термин "двухрядная цепь" в данном случае условен, но он отражает условия совместной работы звеньев, даже если цепи выполнены в виде отдельных однорядных. Установленные на них плашки захватывают трубу, перемещая или удерживая ее. Привод инжекторов осуществляется гидравлическими моторами через редукторы, передающие крутящий момент к звездочкам цепных передач.
В зависимости от диаметра гибких труб (25-73 мм) усилие, развиваемое транспортером, изменяется от 80 до 450 кН при скорости движения до 1 м/с. Данный узел является энергонапряженным и конструктивно сложным. Эффективность работы транспортера определяется в значительной степени рациональностью конструкции силовых органов, прежде всего, цепной передачи с комплектом плашек, связанных с ней и взаимодействующих с гибкой трубой, обеспечивая ее перемещение и удержание.
Основным требованием к рассматриваемому механизму является надежное удержание трубы плашками и отсутствие повреждений ее поверхности. Эта проблема требует комплексного подхода к проектированию.
Повреждение (смятие) трубы может происходить при входе плашки в контакт с трубой и при выходе из контакта. Этот процесс определяется кинематическими особенностями транспортера и зависит от скорости движения точек рабочей поверхности плашки в период соприкосновения с трубой.
Помимо этого, смятие трубы может происходить, когда плашки прижаты к поверхности трубы и передают ей усилие,
обеспечивающее движение или удержание в неподвижном положении. В этот период превалируют прочностные аспекты, а именно: как распределяются передаваемые усилия между плашками, при каких условиях передается усилие. Эти вопросы ранее рассматривались [4, 5], и были выработаны соответствующие рекомендации.
Исключить смятие трубы можно, если вектор скорости плашки в момент ее входа (и выхода) в контакт с трубой равен вектору скорости движения трубы. Это означает, что траектория движения точек рабочей поверхности плашки должна приходить в соприкосновение с поверхностью трубы по касательной, а направление движения и величина абсолютных скоростей в момент соприкосновения - совпадать. Невыполнение данного условия ведет к внедрению плашки в тело трубы и сопровождается ее пластическим деформированием.
Компенсировать такой дефект кинематики механизма перемещения можно за счет регулирования усилий натяжения цепей и прижима плашек к трубе. Однако это не исключает появления неблагоприятных случаев, обусловленных, например, влиянием человеческого фактора. Оптимальным направлением создания современного оборудования является проектирование механизма с кинематикой, в принципе исключающей подобное явление.
Для избежания возможности появления неблагоприятных случаев необходимо определить оптимальный вариант движения плашек по отношению к поверхности трубы в момент, предшествующий их контакту. Для анализа этого процесса была разработана математическая модель, описывающая движение характерных точек плашки. Исследуемая механическая система показана на рис. 1. Звездочка, направляющая цепь, представлена в виде
окружности с радиусом Р=Ой, определяющим расстояние от оси вращения звездочки до тыльной поверхности плашки. Основание плашки в принятой схеме равно шагу цепи 5 и соответствует отрезку АВ=5 При анализе кинематики механизма на определенном интервале движения учитывалось, что имеет место касание плашки и звездочки в точке Ц что позволило рассматривать эти детали как кинематическую пару 4-го класса. При решении данной задачи высоту плашки - расстояние от ее тыльной поверхности до линии контакта с образующей трубы - обозначим Л. При вращении звездочки по часовой стрелке точка С является первой, входящей в контакт с поверхностью или наиболее приближающейся к ней.
Протяженность рабочей поверхности плашки в осевом направлении -отрезок СЕ - при прочих заданных размерах зависит от угла а. В дальнейшем будем называть его углом оптимизации.
Положение плашки относительно колонны гибких труб характеризуется углом Р, определяющий положение линии ОВ относительно нормали к поверхности трубы. Звенья цепи, на которых установлены плашки, соединяются между собой пальцами А, В, расположенными между зубьями звездочки (условно не показаны) на ее делительной окружности.
Режим входа (и выхода) плашки в контакт с трубой зависит от параметров звездочек цепной передачи, шага цепи, координат осей прижимных роликов, размеров плашки, угла вхождения плашки в контакт и т. п.
Рассмотрим плашку на участке цепи между звездочкой и гибкой трубой в виде трапеции с основанием АВ. При этом в качестве ведущей примем точку В, совпадающую с центром шарнира, соединяющего рассматриваемое звено цепи, и плашкой с последующим звеном. Полученную систему ОВАО можно рассматривать как двухкривошип-ный механизм, в котором звено АВ (основание плашки) является шатуном. Точка С, принадлежащая шатуну, будет описывать при движении шатунную кривую. Из множества шатунных кривых найдем оптимальную, обеспечивающую удовлетворение условий, сформулированных ранее.
Для получения аналитического выражения шатунной кривой выберем прямоугольную систему координат хОу с центром в точке О,
совпадающим с центром звездочки. Угол поворота р ведущего звена ОВ будем отсчитывать от оси абсцисс Ох. В дальнейшем координаты точек кинематических пар механизма будем обозначать: В(х0,у0), А(х1,у1), С(х,у). При этом положение ведущей точки определится из выражений: x0=OB Cos р; y0=OB Sin р. Положение ведомой точки А будет характеризоваться выражениями: x,=OB Cos(p-P), y,=OB Sin(p-P). Не приводя промежуточных преобразований, определим координаты точки С следующим образом: x=(P+(P2-(E2+1)G)1/2/(E2+1); y=-Ex+Á,
где Р, G, Е и Б - геометрические параметры, обусловленные размерами плашки, шага цепи и диаметра делительной окружности звездочки. u=(u0-W(Qu,+z,-z0))/(1-QW); z=z-Q(u-Ui), где Q, W - параметры, характеризующие текущие координаты рассматриваемых точек z„ z0, u„ u„ -скоростей ведущей и ведомой точек А и В.
Исходя из величин полученных составляющих, определяем абсолютную величину вектора скорости точки С:
Ус=ш(и^2)1/2.
Направление этого вектора определится углом у=аг^д(г/и).
Приведенные математические выражения справедливы при повороте ведущего звена ОВ до ф=р/2. При этом рабочая поверхность плашки с принадлежащей ей точкой С примет вертикальное положение, параллельное рабочей поверхности трубы. Ведущий кривошип ОВ будет наклонен к оси Ох под углом ф=р/2, а ведомый кривошип ОА займет положение под углом ф=~р/2.
При дальнейшем движении рассматриваемый механизм превратится в кривошипно-ползунный. Ведущим звеном по-прежнему останется кривошип ОВ, а роль ползуна будет играть набор звеньев, неподвижных относительно друг друга в точке А" и увлекаемых параллельно рабочей поверхности трубы впереди идущими плашками. С точки зрения решения поставленной задачи, представляет интерес рассмотрение перемещения звеньев при повороте звена ОВ на угол от ф=р/2 до ф=~Р/2. При этом зуб звездочки выходит из зацепления с цепью и, соответственно, линия АВ перестает касаться окружности с радиусом Я=Ой.
Рис. 2. Изменение составляющих скорости перемещения плашки
На втором этапе движения ведущей точки В математические выражения, описывающие координаты всех рассмотренных точек, кроме ведущей В(х„,уа) и их скоростей, будут отличаться от полученных выше, поскольку изменится тип механизма. С учетом этого координаты ведомой точки А(х„у,) определятся как:
у,=у0-(82-(х-х0)Г2.
В результате анализа кинематики данного механизма получим выражения для составляющих вектора скорости перемещения точки С, формально аналогичные уравнениям, описывающим ее движение на предыдущей фазе, но отличающиеся величинами параметров О, №.
В статье принято допущение, что после прохождения ведущим звеном точки В положения, соответствующего углу ф=~р/2, направление дальнейшего движения не изменяется. Это справедливо в случае, если точка, в которой осуществляется принудительный прижим плашки к трубе, достаточно удалена от точки О. Ес-
ли это условие не выполняется, то траектория перемещения точки С будет иметь волнообразный характер с постепенным затуханием амплитуды.
Полученные математические зависимости положены в основу программы расчета на ЭВМ. С ее помощью проведены исследования кинематики для определения оптимальных условий вхождения плашки в контакт с рабочей поверхностью. В зависимости от кинематических параметров траектория движения точки С может не доходить (касаться или пересекать) до линии, соответствующей поверхности трубы. При отсутствии люфтов в шарнирах цепи можно избежать смятия трубы, выполнив следующие условия: расстояние А от центра вращения звездочки до поверхности трубы должно соответствовать условию:
В процессе изнашивания цепи ее шаг увеличивается и фактический диаметр делительной окружности возрастает. Это означает, что точка С
будет располагаться ближе к поверхности трубы и при увеличении шага больше допустимого, произойдет внедрение точки С в поверхность трубы. Разработанная методика и полученные результаты исследований позволяют определить величину допускаемого износа и назначать сроки ремонта инжекторов.
Однако для учета зазоров, предусмотренных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.