Робот-манипулятор,выполняющий функции верхового на буровой вышке

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот-манипулятор,выполняющий функции верхового на буровой вышке

Антипов Я.М. 1Томилов А.А. 1Самедов Д.И. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Бек М.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современной индустрии бурения нефти и газа, эффективность и безопасность являются важнейшими аспектами работы на буровых вышках. Робототехника и автоматизация играют значительную роль в улучшении процессов и условий работы на таких высотах.

Целью данного исследования является разработка макета буровой вышки и создание функционального манипулятора, способного выполнять задачи на этой вышке.

Задачи исследования:

1. Изучение основных принципов работы буровых вышек и их основных компонентов.

2. Анализ существующих решений в области робототехники на буровых вышках и их применение.

3. Изучение конструктора Lego Spike Prime и его возможностей для создания робота-манипулятора.

4. Разработка макета буровой вышки, учитывая его масштабы и особенности.

5. Создание манипулятора, способного выполнять основные функции на буровой вышке, с использованием Lego Spike Prime.

6. Тестирование функциональности и эффективности работы макета и манипулятора на буровой вышке.

7. Оценка безопасности работы созданного робота-манипулятора и его соответствие стандартам безопасности на буровых вышках.

8. Документирование процесса разработки макета и создания манипулятора, включая описание конструкции и программного обеспечения.

9. Анализ полученных результатов и предложение дальнейших направлений развития и улучшения работающего прототипа.

Успешное выполнение этих задач позволит создать функциональный макет буровой вышки и работающий на ней манипулятор из конструктора Lego Spike Prime, что может иметь большое значение для обучения и популяризации робототехники в индустрии бурения.

Глава 1. Основы работы буровых вышек

    1. Описание буровых вышек и их основные компоненты

Буровая вышка (Derrick) - ключевой узел оборудования буровой установки. Выполняет следующие функции:

  1. Поддержание бурильной колонны на талевой системе при бурении с разгрузкой

  2. Спускоподъемные операций с обсадными и бурильными трубами

  3. Установка талевой системы и средств механизации спуско-подъемных операций, включая платформы верхового рабочего устройства, механизмы АСП и КМСП.

  4. Размещение бурильных труб

  5. Размещение извлеченных из скважины утяжеленных бурильных труб

Буровая вышка устанавливается над буровой скважиной для подъема и спуска бурового оборудования(обсадные трубы, забойные двигатели и тд.). Оборудована лестницами и специальной площадкой для взаимодействия и обслуживания кронблока, а так же платформой верхового рабочего, где устанавливаются бурильные свечи.

Основные компоненты буровой вышки:

  • Деррик (мачта) — вертикальная структура, обеспечивающая поддержку для всего бурового оборудования.

  • Кроун-блок — сооружение на вершине деррика с установленными шкивами, через которые проходит стальной канат.

  • Подвеска — поддержка сверла и труб буровой установки.

  • Буровая платформа — обеспечивает вращение бурового инструмента.

  • Вертлюг — устройство, обеспечивающее вертикальное и горизонтальное движение инструмента при бурении.

  • Буровой канат — канат для спускоподъёмных операций с инструментом и трубами.

  • Буровая лебедка — механизм для перемещения бурового каната.

  • Буровые трубы — конструкции, соединяемые между собой для достижения требуемой глубины скважины.

  • Буровая колонна — совокупность всех труб, используемых для бурения.

  • Системы обеспечения безопасности — датчики, клапаны и другие устройства для предотвращения выбросов и аварий.

  • Место для хранения труб — металлические стеллажи под размещение цилиндрических конструкций.

  • Система циркуляции — насосы, резервуары и другое оборудование для перемещения раствора через скважину.

2.2 Особенности работы на буровых вышках. Состав бригады

Перечень выполняемых работ и организация труда буровой бригады зависят от целей бурения, глубины и конструкции скважины. Круг обязанностей ее членов довольно широк и разнообразен. Это выполнение подготовительных работ перед забуриванием скважины (оснастка талевой системы, установка ротора, соединение бурового рукава со стояком нагнетательного трубопровода и вертлюгом; приготовление промывочной жидкости, оснащение буровой элементами малой механизации, механизмами и инструментом для выполнения спуско-подъемных операций и других работ в процессе проводки скважины). Обеспечение углубления скважины и подготовка ее ствола к проведению геофизических исследований, спуск обсадных колонн, установка противовыбросового и фонтанного оборудования, а также проведение работ по заканчиванию скважины и многое другое.

Количественный и квалификационный состав вахт видоизменяется в зависимости от типа БУ и категории сложности поставленных задач (как правило, зависимых от проектной глубины скважины). Он регламентируется тарифно-квалификационными требованиями и отраслевыми нормативами, разрабатываемыми специальными организациями по заказам нефтяных компаний, предприятий по бурению и согласованными с органами Госгортехнадзора. Как правило, вахта состоит из следующих работников:

1. Бурильщик 6-го разряда.

2. Первый помощник бурильщика 5-го разряда.

3. Второй помощник бурильщика 4-го разряда (верховой рабочий).

4. Третий помощник бурильщика 4-го разряда.

5. Буровой рабочий 3-го разряда.

6. Моторист 5-го разряда (дизельный привод БУ).

7. Моторист 4-го разряда (дизельный привод БУ).

8.Электрик 4-го разряда (электропривод БУ).

С вводом в эксплуатацию новых видов БУ, оснащенных современным оборудованием (автоматы СПО, системы верхнего привода, автоматический ключ буровой и т.д.), состав вахты может изменяться.

Глава 2. Проблемы и ограничения, связанные с работой Верхового рабочего

2.1 Функционал и обязанности верхового помощника бурильщика

Второй помощник бурильщика во время СПО работает наверху (в специально оборудованном на буровой вышке месте, называемом балконом верхового рабочего). Он надевает или снимает элеватор и перемещает верхний конец свечи.

Одна из важных обязанностей второго помощника бурильщика - это поддерживать правильное функционирование элеватора. Он отвечает за надевание и снятие элеватора на буровую колонну, а также контроль за его состоянием и работоспособностью. Элеватор представляет собой специальное устройство, используемое для подъема и перемещения различных частей и инструментов буровой колонны.

Также, второй помощник бурильщика перемещает верхний конец свечи. Это процедура, при которой свеча, которая является частью буровой колонны, переносится на другое место на вышке. Это может быть необходимо во время процесса бурения для обеспечения оптимального положения свечи или для выполнения других операций.

Второй помощник бурильщика также участвует в удалении старого долота и установке нового, а также в других технических операциях, связанных с поддержанием и обслуживанием буровых инструментов и оборудования на балконе верхового рабочего.

Важно отметить, что безопасность при выполнении этих действий является приоритетом для второго помощника бурильщика. Он должен строго соблюдать все правила безопасности и рекомендации, связанные с работой на балконе верхового рабочего, чтобы предотвратить возможные происшествия и обеспечить безопасность всей буровой вышки.

2.2 Регламент по охране труда при работе на буровой на открытом воздухе в холодное время года.

1. Для всех категорий работников, занятых на ремонте и обслуживании скважин и нефтегазодобывающего оборудования установить, что предельной температурой при которой могут производиться работы на открытом воздухе при условии выполнения дополнительных организационных мер по предотвращению обморожения работников считать:

- 40 0 С ниже нуля при скорости ветра до 2 м/с;

- 35 0 С ниже нуля при скорости ветра от 2 до 5 м/с;

- 30 0 С ниже нуля при скорости ветра от 6 до 10 м/с;

- 25 0 С ниже нуля при скорости ветра от 11 до 15 м/с;

- 20 0 С ниже нуля при скорости ветра от 16 и более;

2. При температуре от 30 0 С до 40 0 С ниже нуля работающим на холоде предоставлять возможность обогревания с перерывами на 10 минут через 30 минут работы, включая перерывы в счет рабочего времени. Средства для обогревания предоставляются мастерами на месте работы или в непосредственной близости от места работы.

3. В случае прекращения работ вследствие запредельно низкой температуры или сильного ветра руководитель работ может временно перевести работников на другие работы в теплое помещение, даже в случае несоответствия квалификации работников, после проведения инструктажа.

4. Там, где прекращение работ влечет за собой возникновение аварийной ситуации, остановку всего или части производства, прекращение работ заменяется установлением чередующихся смен.

Глава 3. Построение модели буровой вышки с манипулятором из конструктора Spike Prime на балконе верхового

3.1 Описание модели

Наш проект-это робот-манипулятор, который выполняет работу верхового помощника бурильщика на буровой вышке, обеспечивает огромную выгоду, как в терминах безопасности так и в повышении эффективности работы.

Использование робота для перетаскивания бурильных труб является замечательным решением, поскольку это задача, требующая силы и технической точности. Робот-манипулятор позволит автоматизировать процесс и сократить трудозатраты, что повысит производительность работ на буровой вышке.

Для создания буровой вышки мы использовали листы картона размером 1*1 метр, рассчитав оптимальные размеры, мы нарезали листы картона и склеили их тканевым скотчем. Чтобы картонная конструкция больше напоминала буровую вышку, мы использовали 3д ручку и пластик для создания текстуры с одной стороны, с трех других сторон мы покрасили нашу основу акриловой белой краской.

Балкон верхового тоже создан из листа картона и уголков для укрепления.

Модель манипулятора создана из конструктора Lego Spike Prime. Составные части:

  1. Смарт Хаб

  2. Большой мотор( повороты в стороны)

  3. Средний мотор( подъем и опускание захвата)

  4. Система рычагов( управление захватом)

3.2 Инновационность придуманного решения

Установка робота-манипулятора в Тюмени и других городах России предоставит существенные преимущества по сравнению с импортируемыми аналогами. Проблема экстремальных погодных условий, с которыми приходится сталкиваться верховому помощнику бурильщика, является серьезной, и наше решение поможет сократить риск возникновения травм и сохранит жизни работников.

Плюсом является то, что ваше решение обеспечивает повышение продуктивности и рабочего темпа компании. Робот-манипулятор способен выполнять работу в том же рабочем темпе, сохраняя точность и эффективность даже в самых сложных условиях. Это позволит сэкономить время и ресурсы, увеличивая производительность и прибыльность предприятия.

Наше решение действительно обладает инновационным потенциалом и может стать важным вкладом в развитие отрасли.

Заключение

В заключение, исследование по теме разработки робота-манипулятора, заменяющего работу верхового на буровой вышке, подтверждает значительный потенциал и важность применения такой технологии в данной отрасли. Анализ данных и литературы, проведенных в этом исследовании, позволяет сделать следующие выводы:

Вывод 1:

Робот-манипулятор предоставляет значительные преимущества в сравнении с человеческим трудом на буровых вышках. Он обладает более высокой точностью, надежностью и долговечностью в выполнении задач, связанных с манипуляцией и подъемом грузов, что приводит к повышению безопасности и эффективности работ.

Вывод 2:

Использование робота-манипулятора на буровых вышках позволяет сократить риски для работников, связанные с опасными и тяжелыми рабочими условиями. Также снижается вероятность человеческого фактора в возникновении ошибок и аварийных ситуаций, что ведет к сокращению потерь и повреждений оборудования.

Вывод 3:

Разработка и внедрение робота-манипулятора на буровых вышках подразумевает необходимость совместной работы инженеров, разработчиков и специалистов в области автоматики. Такие многоуровневые исследования и разработки могут привести к совершенствованию не только технических аспектов, но и методов обучения роботов, что открывает перспективы для будущих инноваций.

Тем не менее, следует отметить, что перед внедрением робота-манипулятора на буровых вышках требуется провести дополнительные исследования и испытания для обеспечения его надежности, адаптации к переменным условиям и обеспечения безопасности рабочего процесса.

В целом, исследование показывает, что робот-манипулятор имеет потенциал для эффективной замены работы верховых на буровых вышках и может существенно повысить безопасность и эффективность в этой сфере. Это исследование может служить основой для дальнейших разработок и улучшений в области автоматизированных систем в буровой промышленности.

Список использованных источников

  1. https://stydopedia.ru/4x93e0.html

  2. https://textarchive.ru/c-1274562-p33.html

  3. https://instrukzii.ru/rabochie/burenie-skvazhin/vtoroy-pomoshhnik-burilshhika-ekspluatatsionnogo-i-razvedochnogo-bureniya-skvazhin-na-neft-i-gaz-5-go-razryada.html

  4. https://neftegaz.ru/tech-library/burovye-ustanovki-i-ikh-uzly/141203-burovye-vyshki/

  5. https://onyx-rus.com/blog/chto-takoe-burovaya-vyshka/

  6. https://studfile.net/preview/4529974/page:21/

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рисунок 1.1.1 Виды буровых вышек

Рисунок 2.1.1 Верховой помощник бурильщика

Рисунок 2.1.2 Опасная работа верхового

Рисунок 3.1.1 Макет буровой вышки Рисунок 3.1.2 балкон верхового

Рисунок 3.1.3 консультация с экспертом

Рисунок 3.1.4 манипулятор

Просмотров работы: 99