XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти» на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Новоселов В.В. 1Синцов Д.А. 1Куликов Д.С. 1Спасенков Р.Е. 1

---

1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития

Лушникова В.А. 1

---

1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Буровые установки для добычи нефти — это специализированное оборудование, используемое для создания, углубления и очистки скважин с целью добычи полезных ископаемых, таких как нефть и газ. Они могут комплектоваться различными приводами, механизмами для бурения и подъёма, насосами, ёмкостями и другим вспомогательным оборудованием. Буровые установки применяются в нефтегазовой промышленности для разведки и разработки месторождений, капитального ремонта скважин и других целей.

Основное назначение буровой установки для добычи нефти — бурение скважин на нефть и природный газ, а также разведка новых нефтяных и газовых месторождений.

Тема добычи нефти в современном мире освещается крайне мало. Нефть для многих производится сразу в жидком виде. Нефть добывается сложным производственным процессом, включающим геологоразведку, бурение и строительство скважин, их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое. Существуют различные способы нефтедобычи, такие как фонтан, газлифт, насосно-компрессорная добыча с использованием разных видов насосов.

Добыча нефти важна для России, потому что она является одним из крупнейших производителей этого сырья в мире. Кроме того, доходы от продажи нефти составляют значительную часть бюджета страны.

Таким образом, роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти будут экономичнее для страны.

Нам стала интересна данная тема, связанная с буровыми комплексами для добычи нефти и мы решили разработать ферму, роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти, не приносящей вред экологии и больших затрат.

Цель проекта: разработка и конструирование роботизированных буровых комплексов, предназначенных для автоматического бурения скважин и добычи нефти, на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы».

Задачиисследования:

1. Изучить что такое нефть;

2. Найти информация о буровых установках, какие виды буровых установок существуют, назначение и принципы работы

3. Выявить особенности работы на буровых вышках;

4. Создатьпроект«Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти» на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»;

5. Презентовать проект.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты.Приконструированиидвижимыхчастейпроектанампомогликнигииметодические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

Глава 1 Общая характеристика буровых установок для добычи нефти

1. 1. Что такое нефть

Нефть - это природный минеральный ресурс, образующийся в результате длительного процесса разложения органических веществ под землей (Рисунок 1.1.1, Приложение). Она представляет собой жидкость темно-зеленого или черного цвета, состоящую из смеси углеводородов, таких как метан, этилен, пропан, бутан, пентан и другие.

Нефть является одним из основных источников энергии в мире, используется для производства бензина, дизельного топлива, мазута, пластмасс, удобрений, лекарств и многих других продуктов. Добыча, переработка и транспортировка нефти играют важную роль в мировой экономике, так как она является основой для производства многих товаров и услуг.

Нефть является драгоценным ресурсом, который требует особой осторожности и эффективного управления для сохранения его запасов и устойчивой добычи в будущем.

Для того, чтобы узнать больше информации о добыче полезных ископаемых, мы съездили на экскурсию в музей истории, науки и техники Зауралья имени Дмитрия Менделеева (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Музей истории науки и техники Зауралья (МИНТЗ) Тюменского индустриального университета — крупнейший и единственный подобного рода музей на обширном пространстве от Урала до Дальнего Востока, которому в 2020 г. исполнилось 55 лет (Рисунок 1.1.3, Приложение).

Музей был создан в соответствии с письмом Министерства высшего и среднего образования РСФСР № 07-36-82/07-140 от 19.09.1982 года, но история его основания началась гораздо раньше, с организации в ТИИ геолого-минералогического музея, началом которого послужили палеонтологические находки – фрагменты скелетов доисторических животных, а также «горка» уральских минералов, подаренная на открытие вуза гостями из Свердловского горного института в 1964 году.

В 1965 году в ТИИ одним из первых был открыт геолого-разведочный факультет и в этом же году началась летняя геологическая студенческая практика. Большую лепту в комплектовании  музейных фондов внесли студенты этого факультета.

В 1992 году музей включен в состав международного Совета музеев (Российский национальный комитет, секция научно-технических музеев).

Экспозиция музея состоит из 10 разделов (10 демонстрационных залов):

• Геолого-минералогический;

• Присоединение и изучение Сибири. Начало промышленного освоения Зауралья XVI-XIX вв.;

• Д. И. Менделеев — гений и гражданин России;

• Из истории информационных технологий;

• История оптики, звукозаписи, стереоскопии и кинотехники XIX-XXI вв.;

• История крестьянской сельскохозяйственной и бытовой техники Западной Сибири XIX-XX вв.;

• История Тюменского индустриального университета;

• История авиации, моторо- и ракетостроения;

• История открытия и освоения нефтегазовых месторождений Западной Сибири;

• Паноптикум д.т.н., профессора В. Е. Копылова «Всемирная история электротехники и фотодела».

В музее мы погрузились в историю Тюменской области, узнали больше о полезных ископаемых, добывающих в нашей области, а также ознакомились с информацией о нефти.

Нас очень заинтересовала информация о том, что добывать нефть очень тяжело и нефть добывается в виде жидкости, но её внешний вид может отличаться в зависимости от состава и условий образования.

Увидев, насколько многогранны возможности получения нефти, нам стало интересно более подробно изучить возможности добычи нефти в Тюменской области.

1.2 Буровые установки для добычи нефти. Виды, назначение, принципы работы

Буровые установки для добычи нефти бывают трёх видов: плавучие, береговые и морские (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Плавучие буровые установки используются для бурения в районах, расположенных на шельфе и слишком глубоких для работы обычных буровых установок. Плавучие буровые установки оснащены мощными буровыми установками и кранами для подъёма и перемещения оборудования. Они также имеют жилые помещения для персонала и генераторы электроэнергии.

Береговые буровые установки размещаются на суше и могут бурить в зонах, расположенных ближе к берегу. Береговые буровые установки обычно располагаются на специальных платформах или судах, которые обеспечивают им устойчивость и защиту от штормов. Они оснащены различным оборудованием для бурения, обработки и хранения нефти и газа.

Морские буровые установки располагаются в океане и используются на разных глубинах, но наиболее эффективны при работе на глубоководье. Морские буровые установки являются самыми крупными и сложными из всех видов буровых установок. Они оснащены передовыми технологиями и системами безопасности, позволяющими работать на больших глубинах и в сложных условиях.

Преимущества буровых установок:

• возможность эксплуатации в разных погодных условиях и породах;

• обработка скважин под наклоном на разных территориях;

• работа на неровных и труднодоступных участках благодаря гусеничному 
  ходу;

• возможность использования в стеснённых пространствах и на открытых 
  участках крупных карьеров.

Одно из главных преимуществ буровой установки для добычи нефти — это возможность доступа к более значительным запасам нефти, а также более высокие темпы добычи и повышенная безопасность рабочих благодаря удалённому расположению буровой установки. [4].

1.3 Особенности работы на буровых вышках

Особенности работы на буровых вышках связаны с манипуляциями опасными и тяжёлыми предметами, использованием электротехнического оборудования, противопожарных установок и средств индивидуальной защиты. Работники должны быть ознакомлены с инструкциями, знаками опасности и правилами техники безопасности (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Особенности работы на буровых вышках включают:

1. Сложные и ответственные обязанности: машинист буровой установки отвечает за управление узлами и агрегатами во время бурения, выполнение различных операций, таких как буровые работы, горнопроходческие работы, разметка скважин, цементирование, тампонаж и крепление скважин обсадными колоннами.

2. Необходимость профильных знаний и навыков: машинисты должны иметь среднее специальное образование и знать монтаж и демонтаж бурильного оборудования, конструкцию и назначение буровых вышек и мачт, правила и способы бурения скважин, забор керна и изготовление промывочных жидкостей.

3. Физический труд и выносливость: работа на буровой требует физической силы и выносливости, так как машинисту приходится сталкиваться с различными форс-мажорными ситуациями и решать новые проблемы.

4. Соблюдение правил безопасности: машинисты должны знать и соблюдать правила безопасности при проведении буровых работ, чтобы избежать возможных аварий и несчастных случаев.

5. Работа в команде: машинисты буровых установок работают в бригадах, состоящих из нескольких человек, каждый из которых имеет свою специализацию и задачу.

Экономическая особенность буровых установок для добычи нефти заключается в том, что они позволяют снизить себестоимость добычи нефти, повысить эффективность разработки месторождений и увеличить объёмы добычи [4].

Разработка буровых установок действительно может быть затратной. Это связано с высокой стоимостью проектирования, изготовления и обслуживания оборудования. Однако экономическая целесообразность использования отечественного оборудования в условиях современного рынка делает разработку буровых установок актуальной задачей.

Именно поэтому, мы решили создать роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти, у которой достаточно преимуществ для общества и экологии.

Глава 2 Создание проекта «Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти»

2.1 Задачи проекта, планирование

Перед тем, как создать наш проект, мы с ребятами обговорили, как ондолжен выглядеть, какие модели будут присутствовать и какой будет у них функционал [1]. Создали несколько эскизов, покоторымужеиначаликонструировать(Рисунок2.1.1,Приложение).

Проблема: В Тюменской области зимой очень холодно, поэтому вода покрыта льдом. Чтобы добыть нефть, а она расположена глубоко, нужно этот лед бурить, значит бур должен быть очень острым и прочным.

Мы решили, что наша база для добычи нефти будет компактная, но в тоже время комфортабельная и многофункциональная (Рисунок 2.1.2, Приложение).

Наш проект «Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти» расположен на берегу реки Тюменской области.

На углу станции установлен станок-качалка (Рисунок 2.1.3, Приложение), который способствует добыче нефти. В нефте-качалке используется кулачковая механическая передача.

Мы продумали две буровые установки, для бурения скважин. Первая буровая установка в виде транспорта, которая может перемещаться в любое местоположение нефтяной станции (Рисунок 2.1.4, Приложение). В ней используется червячная механическая передача и система рычагов [9]. В помощь первой буровой установке приходит робот-бурильщик (Рисунок 2.1.5, Приложение). У робота-бурильщика используется угловая зубчатая механическая передача и система рычагов.

Также на нашей станции установлены солнечные панели (Рисунок 2.1.5, Приложение) и фильтр для очистки нефти (Рисунок 2.1.6, Приложение) [7,8].

2.2 Функционал и механические передачи проекта

Мы приступили к созданию проекта. У каждой модели, присутствующей в нашем проекте есть свой функционал и механические передачи. Разберем каждую модель по отдельности.

Мы сконструировали базу, где находятся роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти. База находится на берегу реки Тюменской области При поиске информации и после посещения экскурсии, мы решили, чтобы бурильная установка работала, ее необходимо обогревать, добавить дополнительные системы отопления. Люди тоже мёрзнут, поэтому обогревать нужно и места, где они живут и работают.

Чтобы поддерживать определенную температуру для работы бурильной установки, мы установили солнечные батареи. У солнечной батареи используется зубчатая механическая передача.

Многофункциональность нашей станции в том, что на нашей базе установлен фильтр для очистки нефти, находящийся в хранилище. У фильтра используется зубчатая механическая передача.

Таблица 1 – Предназначение и механические передачи проекта

2.3 Презентация проекта

Создать проект будущего своими руками – такая задача стояла перед юными робототехниками Тюменской области. Как добываются, хранятся и транспортируются полезные ископаемые, насколько они важны для человечества и как они человеком используются – все это узнали участники чемпионата. Соревнования Регионального отборочного чемпионата по робототехнике, которые проходили 28 и 29 февраля в Колледже цифровых и педагогических технологий в городе Тюмени.

В направлении «Лиги открытий» мы презентовали свой проект: «Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти» – исследовали, готовили инженерную документацию, выполняли командное задание (Рисунок 2.3.1, Приложение).

Защитное слово к проекту:

Заключение

В заключение, исследование по теме «Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти», заменяющего работу персонала, подтверждает значительный потенциал и важность применения такой технологии в данной отрасли. Анализ данных и литературы, проведенных в этом исследовании, позволяет сделать следующие выводы:

Робот-бурильщик предоставляет значительные преимущества в сравнении с человеческим трудом на буровых установках. Он обладает более высокой точностью, надежностью и долговечностью в выполнении задач, что приводит к повышению безопасности и эффективности работ.

Использование солнечных панелей на буровых вышках позволяет сократить риски для работников в заморозки. При использовании робота-бурильщика снижается вероятность человеческого фактора в возникновении ошибок и аварийных ситуаций, что ведет к сокращению потерь и повреждений оборудования.

ДлянашегопроектамыиспользоваликонструкторизнабораLEGO® Education «Первые механизмы». В нашей работе были использованы следующие механизмы: кулачковая, червячная и зубчатая передача, система рычагов.

Наш проект «Роботизированные буровые комплексы, предназначенные для автоматического бурения скважин и добычи нефти» (Рисунок 2.2.9, Приложение) - это отличный вариант для эффективных работ, повышение безопасности персонала и экономически выгодный вариант.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуальногоразвития«МистерБрейн»,-Режимдоступа-https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкцииоживают/С.М.Богданова,Е.Е.Попова//«Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»:материалыVIIМеждународнойнаучно-техническойконф.2017С.160-163.Режимдоступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука,2013. 319с;

Интернетисточники

4. https://allforchildren.ru/why/where11.php

5. https://www.art-talant.org/publikacii/9982-proekt-burovaya-ustanovka-pomoschnik-v-dobyche-tyagheloy-nefti

6. https://urok.1sept.ru/articles/573627

Приложение

Рисунок1.1.1 Нефть Рисунок 1.1.2 Экскурсия в музей имени Д.Менделеева

Рисунок1.1.3 Музей науки и истории (ТИУ) Рисунок 1.2.1 Буровые установки

Рисунок1.3.1 Принцип работы буровой установки Рисунок 2.1.1 Эскизы проекта

Рисунок 2.1.2 Форма проекта Рисунок 2.1.3 Модель "Станок-качалка"

Рисунок 2.1.4 Модель "Буровая установка" Рисунок 2.1.5 Модель "Робот-бурильщик"

Рисунок 2.1.6 Модель "Солнечные панели" Рисунок 2.1.7 Модель "Фильтр"

Рисунок 2.3.1 Презентация проекта