ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано | Утверждаю |
Руководитель ООП по специальности 130102 декан ГРФ проф. | Зав. кафедрой БС проф. |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Буровые машины и механизмы»
(наименование по рабочему учебному плану)
Специальность: 130102 «Технология геологической разведки»
Специализация: «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»
Квалификация (степень) выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составитель: профессор
Санкт-Петербург
2012
Составитель: профессор
Научный редактор: профессор
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Курс «Буровые машины и механизмы» входит в состав базовой части естественных дисциплин цикла подготовки специалистов по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и изучается студентами в течение 7 и 8 семестров после прохождения курсов «Физика», «Математика», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Гидравлика», «Электротехника», «Разведочное бурение».
Для освоения дисциплины «Буровые машины и механизмы» обучающийся должен обладать устойчивыми знаниями в объёме школьных дисциплин по физике, геометрии и тригонометрии и вышеперечисленных вузовских курсов.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ОК-21, ОК-23, ПК-1, ПК-2, ПК-5, ПК-7, ПК-13, ПК-20, ПК-23, ПК-28, ПСК-3.5, ПСК-3.7, ПСК-3.11, ПСК-3.13, ПСК-3.18.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: конструкции буровых машин и оборудования, динамику и кинематику их работы, условия их нагружения при эксплуатации, требования и этапы проектирования.
Уметь: оценивать нагрузки при работе буровых машин и механизмов, их возможности, выбирать оптимальные режимы эксплуатации.
Владеть: методами расчёта нагрузок и напряжений в узлах и элементах оборудования при его эксплуатации; способностью нахождения инженерных решений в различных практических условиях.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётные единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |
5 | 6 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 85 | 51 | 34 |
В том числе: | |||
Лекции | 51 | 34 | 17 |
Практические занятия (ПЗ) | 0 | 0 | 0 |
Семинары (С) | 0 | 0 | 0 |
Лабораторные работы (ЛР) | 34 | 17 | 17 |
Самостоятельная работа (всего) | 68 | 17 | 51 |
В том числе: | |||
Курсовой проект (работа) | 34 | 0 | 34 |
Расчётно-графические работы | 0 | 0 | 0 |
Реферат | 0 | 0 | 0 |
Другие виды самостоятельной работы: | |||
Работа с литературой | 34 | 17 | 17 |
Вид промежуточной аттестации (зачёт, экзамен) | Зачёт | Экзамен | |
Общая трудоёмкость час зач. ед. | 153 | 68 | 112 |
5 | 2 | 3 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1 | Введение. Буровые вышки и мачты. | Предмет и задачи курса, его практическое значение при проектировании и производстве геологоразведочных работ. Общие сведения. Назначение вышек и мачт. Основные требования, предъявляемые к их конструкции. Классификация вышек и мачт и их конструктивные особенности. Параметры буровых вышек и мачт: высота, грузоподъемность, размеры нижнего и верхнего оснований, масса и др. Способы монтажа и демонтажа. Талевые системы, их назначение и особенности. Нагрузки, действующие на буровые вышки и мачты. Вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на буровую вышку (мачту). Способы их определения. Расчёт усилий в элементах вышки (мачты) от ветровой нагрузки с помощью диаграммы Максвелла-Кремоны. Методика определения усилий и расчёт сечений элементов вышки (мачты) при действии суммарных нагрузок. Проверка элементов вышки и мачты на прочность и устойчивость. Расчёт растяжек. Определение усилий при подъёме вышки в собранном виде и транспортировка без разборки. |
2 | Бурильные и обсадные трубы. | Общие сведения. Назначение колонны бурильных труб (КБТ), условия её работы в зависимости от глубины и диаметра скважины. Конструкция бурильных труб и их соединений. Материал труб и их соединений. Легкосплавные бурильные трубы. Компоновка КБТ. Утяжелённые бурильные трубы (УБТ) и их назначение. Работа бурильных труб. Нагрузки, действующие на КБТ при её работе. Форма упругого равновесия КБТ при вращении. Характер вращения КБТ. Напряжение растяжения в бурильных трубах от собственного веса. Абсолютное удлинение КБТ и его значение при определении места прихвата. Мощность, затрачиваемая при бурении в зависимости от вида породоразрушающего инструмента, характеристики КБТ и условий её работы в скважине. Напряжение кручения и его наибольшее значение при определённом типе двигателя. Суммарное напряжение и статический запас прочности в устьевом сечении КБТ. Напряжение сжатия в нижней части КБТ от собственного веса и гидростатического давления. Предельный изгиб не вращающейся колонны. Поперечный изгиб вращающейся КБТ под действием сил инерции. Длина полуволны КБТ при совместном действии продольных и поперечных сил и с учётом взаимодействия вращающейся КБТ со стенками скважины (формула ). Напряжения изгиба в растянутой и сжатой частях колонны. Касательные напряжения в КБТ при срыве керна, и крутильном ударе при внезапном заклинивании породоразрушающего инструмента. Напряжение изгиба при работе КБТ в искривленной скважине. Предельный угол искривления скважины на данном участке. Колебания КБТ. Период и частота продольных и крутильных колебаний колонны. Коэффициенты запаса прочности в различных сечениях КБТ по нормальным, касательным напряжениям и при сложном напряжённом состоянии. Обсадные трубы. Назначение и конструкция обсадных труб и их соединений. Конструкция обсадных колонн и требования к ним. Нагрузки, действующие на обсадную колонну: растягивающие, сжимающие. Определение предельной глубины спуска колонны. Расчёт муфтового соединения (формула ). Обратные клапаны в колонне обсадных труб. Их назначение. Определение гидростатического давления и давления сыпучих горных пород, действующих на колонну. Формула Мариотта для определения допустимого внутреннего давления в трубах. Методика расчёта промежуточных и эксплуатационных колонн обсадных труб для глубоких скважин. |
3 | Буровые станки. | Общие сведения. Типы буровых станков. Кинематические схемы станков основных видов. Станки специального назначения: для бурения шурфоскважин, скважин из подземных выработок и др. Главные параметры технической характеристики станков. Основные узлы буровых станков: трансмиссия, вращатель, лебёдка, механизм подачи. Основные правила эксплуатации буровых станков. Привод и трансмиссия. Силовой привод бурового станка. Требования, предъявляемые к силовому приводу. Типы двигателей и виды привода. Приёмистость двигателей: электродвигателя, ДВС и гидродвигателя. Регулируемый электропривод. Гидродвигатель: принцип работы, конструктивные типы, преимущества. Трансмиссия: сцепные муфты (кулачковые, зубчатые, фрикционные, шинно-пневматические, электродинамические), коробки перемены передач, турбомуфты, турботрансформаторы, комплексные турботрансформаторы. Расчёт фрикционов: определение размеров дисков, число поверхностей трения, усилий включения. Вращатели. Типы вращателей: роторный, шпиндельный, подвижный. Области их рационального применения. Достоинства и недостатки. Конструкции зажимных патронов. Определение основных параметров вращателя: диапазона изменения и количества скоростей, крутящего момента, приводной мощности, типа зажимных патронов. Расчёт шпинделя. Расчёт зажимного патрона: определения усилия прижатия плашек и минимально допустимого удельного давления на их поверхность. |
4 | Лебёдки. | Кинематические схемы лебёдок: планетарные лебёдки по схемам “барабан–водило” и “барабан–зубчатый венец”, фрикционные лебёдки. Конструкция лебёдок. Устройства тормозных систем: фрикционные, гидродинамические, электродинамические. Обоснование параметров лебёдки: максимальной и минимальной грузоподъёмности, скорости подъёма, числа скоростей подъёма. Расчёт мощности на барабане лебёдки. Расчёт тормоза лебёдки. |
5 | Механизмы подачи. | Механизмы подачи буровых станков, их типы, основные требования к механизмам подачи и области их применения. Кинематические схемы механизмов подачи: гидравлических, механических, комбинированных. Подача с помощью подвижного вращателя, с лебёдки и др. Определение основных параметров механизмов подачи: усилия подачи, грузоподъёмности, скорости подачи. Расчёт узлов гидравлических механизмов подачи на прочность. |
6 | Насосы для промывок скважин. Водоподъёмники. | Буровые насосы. Технические требования к буровым насосам. Их конструктивные особенности. Классификация насосов по степени действия, быстроходности, типу привода, расположению и количеству цилиндров, типу вытеснителя, степени регулирования подачи. Процессы всасывания и нагнетания в поршневом насосе. Методика определения основных параметров насоса и размеров его гидравлической части. Принцип расчёта приводной части. Подача жидкости буровым насосом. Степень неравномерности подачи. Пульсация жидкости и способы её сглаживания. Гидравлическая мощность насоса и её определение. КПД насоса. Средства откачки воды из скважин. Типы водоподъёмников, их конструктивные особенности и принцип действия. Скважинные поршневые насосы (штанговые). Их конструкция, область применения, метод расчёта. Погружные насосы, их типы, конструктивные особенности и основные характеристики. Эрлифты. Принцип действия. Конструкции эрлифтов. Производительность эрлифта и её расчёт. Струйные насосы. Эжекторы. Принцип их действия. Геометрические параметры эжекторных снарядов и их определение. КПД эжекции. Влияние гидравлических сопротивлений в эжекторном снаряде на величину эжектируемого потока. |
7 | Виброударные и забойные машины и механизмы. | Вибраторы и вибромолоты. Принцип действия вибраторов и вибромолотов. Области их применения. Конструкции вибраторов и вибромолотов. Процесс вибропогружения, его особенности. Методика расчёта основных параметров вибро - и виброударных погружателей: максимальной возмущающей силы, амплитуды вибрирования, скорости вибрирования (соударения), мощности. Гидроударники, пневмоударники. Типы гидроударников: гидроударники прямого, обратного и двойного действия. Их конструкции. Достоинства и недостатки. Дифференциальные уравнения динамики гидроударников. Расчёт основных параметров гидроударных машин: энергии удара, частоты ударов в минуту, КПД ударника. Высокочастотные гидроударники и их применение. Основные понятия и принципы волнового процесса передачи энергии удара при ударных видах бурения. Конструкции пневмоударников для разведочного бурения. Особенности их применения. Определение оптимальных условий передачи и использования энергии удара при бурении. |
8 | Проектирование буровых машин и механизмов. | Основные направления в современном буровом машиностроении. Требования к буровому оборудованию при проектировании. Высокая производительность. Пути повышения производительности буровых машин: увеличение скорости выполнения операций, непрерывность рабочего процесса. Механизация, автоматизация и роботизация. Перспектива их экономического и социального эффекта при проектировании нового оборудования. Длительность работы без отказов и неполадок, длительность межремонтных сроков. Нормализация. Общее понятие нормализации и нормального ряда машин и механизмов. Стандартизация бурового оборудования. Нормальные ряды бурового оборудования и принципы их построения. Специализация. Общее понятие специализации. Экономически выгодные условия применения специализированных буровых машин. Унификация. Понятие унификации. Направления унификации буровых машин: унификация приводной части, унификация узлов, унификация деталей, унификация материалов, унификация схем машин и т. д. Минимальная масса машин. Факторы, определяющие массу буровой установки, пути снижения массы машин при их проектировании. Техническая эстетика и техника безопасности. Основные объекты технической эстетики в буровом машиностроении. Направления улучшения труда на буровых установках. Непрерывное совершенствование машин. Факторы, определяющие непрерывность совершенствования и обоснования парка буровых машин. Виды конструкторских работ. Факторы, определяющие необходимость создания новых машин и механизмов: открытие новых способов разрушения горных пород, процесс в смежных отраслях науки и техники, появление новых областей применения буровых работ в народном хозяйстве, совершенствование технологии бурения разведочных скважин и т. д. Модификация существующих машин. Основные направления модернизации бурового оборудования. Модификация по признаку транспортабельности буровых установок: – модификация по типу силового привода; – модификация по признаку условий производства работ; – модификация по способу бурения и т. д. Модернизация существующих машин. Основные направления модернизации бурового оборудования: – изменение отдельных параметров технической характеристики; – усовершенствование технологии изготовления; – приспособление установки для бурения скважин по новой технологии; – улучшение организации проведения работ. Усовершенствование машин в эксплуатационных условиях. Порядок проектирования и внедрения разработок в производство. Создание единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Стадии разработки бурового оборудования: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, рабочий проект. Назначение и состав документации каждой стадии. Степень новизны и сложность разрабатываемого изделия. Порядок внедрения в производство: опытный образец, установочная серия, установившееся серийное производство. Программы и порядок стендовых (заводских) и производственных испытаний. Авторский надзор. |
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
1 | Гидрогеология и инженерная геология | + | + | + | |||
2 | Математическое моделирование | + | |||||
3 | Электрооборудование и электроснабжение | + | + | ||||
4 | Современные технологии бурения скважин на ТПИ | + | + | ||||
5 | Основы проектирования бурового оборудования и инструмента | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекции | Прак. зан. | Лаб. зан. | Семин. | СРС | Всего час. |
1 | Введение. Буровые вышки и мачты. | 9 | 12 | 12 | 33 | ||
2 | Бурильные и обсадные трубы. | 10 | 12 | 8 | 30 | ||
3 | Буровые станки. | 8 | – | 10 | 18 | ||
4 | Лебёдки. | 4 | 7 | 6 | 17 | ||
5 | Механизмы подачи. | 4 | – | 10 | 14 | ||
6 | Насосы для промывок скважин. Водоподъёмники. | 10 | 10 | 8 | 28 | ||
7 | Виброударные и забойные машины и механизмы. | 4 | 10 | 8 | 22 | ||
8 | Проектирование буровых машин и механизмов. | 2 | – | 6 | 8 |
6. Лабораторный практикум:
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-ёмкость (час.) |
1 | 1 | Расчёт трёхгранной буровой вышки. | 19 |
2 | Анализ стержневых систем. | ||
3 | Расчёт четырёхгранной буровой вышки. | ||
4 | 2 | Расчёт колонны бурильных труб. | 14 |
5 | Расчёт эксплуатационной колонны обсадных труб. | ||
6 | 4 | Расчёт тормоза буровой лебёдки. | 6 |
7 | 6 | Расчёт клапана бурового насоса. | 6 |
8 | Определение параметров эрлифта. | ||
9 | Выбор и расчёт параметров эжектора. | ||
10 | 7 | Расчёт гидроударника. | 6 |
11 | Расчёт вибратора. |
7. Практические занятия (семинары): не предусмотрены.
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ):
Примерная тематика курсовых проектов включает проекты определения геометрических параметров и расчётов такого бурового оборудования, машин и механизмов, как буровые вышки и мачты, подвижные вращатели, водоподъёмники, гидравлические системы подачи буровых станков и подъёма буровых мачт из горизонтального положения в вертикальное, предохранительные клапаны, шариковые элеваторы, зажимные патроны, гидравлические труборезы, разработку принципиальной конструкции буровых станков специального назначения и других проектов, закрепляющих теоретический курс «Буровые машины и механизмы».
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. , , Буровые машины и механизмы. М., Недра, 1981 г.
2. Прикладная буровая механика: Учебное пособие. Части 1 и 2 / ; Санкт-Петербургский государственный горный ин-т. СПб. 1997-98 гг.
б) дополнительная литература
3. Инженерные расчёты бурового оборудования и инструмента: Учеб. пособие / , : Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2000.
4. , , Проектирование, расчёт и эксплуатация буровых установок. М., Недра, 1983 г.
5. Расчёт бурильных и обсадных колонн. М., Недра, 1971 г.
6. О методике расчёта резьбовых соединений бурильных труб в геологоразведочном бурении. Записки ЛГИ. Разведочное бурение. Т. XCIII, 1982 г.
7. Использование энергии удара в процессах бурения. Л., Недра, 1977 г.
в) программное обеспечение: Microsoft Office, Statistica.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы: ресурсы Интернет.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Специализированные аудитории, используемые при проведении лекционных занятий, оснащены мультимедийными проекторами и комплектом аппаратуры, позволяющей демонстрировать текстовые и графические материалы в проходящем и отраженном свете. Компьютерный класс с необходимым программным обеспечением.
_____________________________________________________________________________
Разработчики:
кафедра БС СПГГУ проф. профессор
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель преподавания дисциплины – ознакомление студентов с теоретическими основами бурения скважин, классификацией видов бурения, буровым оборудованием и приобретение ими знаний в области техники и технологии бурения поисковых, разведочных и других скважин, методами их промывки, крепления и направленного бурения.
Задачи дисциплины: дать основы знаний в изучении буровых свойств горных пород, основных способов, технических средств и технологий бурения указанных скважин, особенностей их опробования и исследования в разнообразных горно-геологических условиях и понятия об осложнениях и авариях при бурении.
