Оборудование для вращения бурильной колонны

ЛЕКЦИЯ 7 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВРАЩЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ БУРОВЫЕ РОТОРЫ 1.1 Назначение и устройство ротора Ротор предназначен для передачи вращения бурильной колонны при роторном бурении и восприятии реактивного крутящего момента колонны, создаваемого забойными двигателями при турбинном и электробурении. Реактивный момент воспринимается квадратными вкладышами, надетыми на ведущую трубу, а также специальным стопорным устройством в столе роторе, при включении которого вращение стола становятся невозможным. Бурильные трубы, находящиеся в стволе скважины, заторможены в роторном столе, а вал забойного двигателя вместе с долотом продолжает вращаться. Ротор служит для удержания на весу колонны бурильных и обсадных труб. Он используется при ловильных и каротажных работах. Привод его осуществляется через буровую лебёдку цепной или карданной передачей от коробки перемены передач (КПП), а также в отдельных случаях от индивидуального привода. Ротор представляет собой зубчатый редуктор, ведомое коническое колесо которого насажено на втулку, соединённую со столом. Вертикальная ось стола расположена по оси скважины, Диаметр отверстия в роторе выбирают в зависимости от наибольшего размера пропускаемых через него обсадных или бурильных труб, турбобура или долота. Следует учитывать, что при бурении долотом большим, чем диаметр отверстия в роторе, долото может быть навинчено на колонну труб или на вал турбобура снизу под ротором. Диаметр стола зависит от размеров ротора и устанавливаемых на него клиновых захватов элеваторов; величина его обычно составляет 5001000 мм. Для удобства работ часть стола ротора сверху закрывают неподвижным заграждением. Роторы должны обеспечивать надёжную работу на всем диапазоне рабочих чисел оборотов и передачу требуемой мощности и крутящего момента. Прочность ротора и опоры его стола должны быть достаточными, чтобы воспринимать наибольший вес колонны бурильных и обсадных труб, устанавливаемых на ротор. Конструкция ротора должна допускать привод от карданного вала и от цепной передачи, обеспечивать достаточную герметичность и предохранение механизмов от попадания промывочной жидкости, грязи и пр. Вес ротора и его конфигурация должны 4допускать транспортировку при помощи транспортных средств и волоком в пределах промысла. Объем масляной ванны ротора должен быть достаточным не только для обеспечения надежной смазки трущихся деталей, но и для отвода тепла, выделяемого при работе. Рабочее направление вращения стола ротора всегда должно быть по часовой стрелке, если смотреть сверху, однако конструкция ротора должна допускать я обратное вращение, применяемое при ловильных и других работах. В главной опоре, воспринимающей осевую статическую и рабочую нагрузки, возникающие при установке колонны на стол ротора и от трения ведущей штанги - квадрата о вкладыши при подаче инструмента, применяют радиально-упорные шариковые или конические подшипники качения. Во вспомогательной опоре, воспринимающей радиальные нагрузки от зубчатой передачи и удары вверх при бурении и подъеме инструмента, применяют либо радиально-упорные подшипники качения, либо подшипники скольжений с упорным буртом. Большинство конструкций роторов изготовляют с приводом стола непосредственно конической передачей. Выбор той или иной конструктивной схемы зависит от назначения, требований, размера и типа ротора,: а также технологических возможностей завода изготовителя. Конструктивно лучшей схемой является та, в которой ведомое колесо расположено между опорами, вследствие чего обеспечивается большее расстояние между опарами. 2.1 Конструкция ротора Р-560 Ротор Р-560 наиболее широко применяется в глубоком бурении. Ротор Р-560 (рис.2Л) состоит из следующих основных сборок и элементов; станина I - основной элемент ротора. Станина - это стальная отливка коробчатой формы, внутри которой смонтированы основные сборки и детали. Внутренняя полая часть станины - масляная ванна для смазки конической зубчатой пары и подшипников опор стола ротора и приводного вала. Стол ротора 3 - основная вращающаяся часть, приводящая во вращение через разъемные вкладыши 5 и зажимы 6 ведущую трубу и соединенную с ней спущенную в скважину бурильную колонну. Стол ротора монтируется на двух шаровых опорах - главной 4 и вспомогательной 9. Главная опора 4 воспринимает динамические циклически действующие нагрузки радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о зажимы 6 ротора при подаче колонны и от веса стола ротора, а также статическую нагрузку от веса колонны труб и других элементов при установке их на стол ротора, Вспомогательная опора 9 стола служит для восприятия радиальных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов при бурении или подъеме колонны. Периферийный зазор 5 между станиной 1 и столом 3 ротора выполнен в виде лабиринта, предупреждающего проникновение бурового раствора и грязи внутрь станины и выбрасывании смазки из ротора при вращении стола. Сверху стол ротора закрыт ограждением 2, служащим для установки на нем элеваторов и другого оборудования при СПО и защиты операторов. Горизонтальный приводной вал 7 выполняется обычно в виде отдельной сборки, в которой вал с ведущей конической шестерней, насаженной на нем, монтируется на роликоподшипниках во втулке. Сдвоенный радиально-упорный подшипник, воспринимающий радиальные и осевые нагрузки от зубчатой передачи, устанавливается рядом с конической шестерней. Вторая опора вала - цилиндрический роликоподшипник. На внешнем конце вала монтируется либо цепная звездочка 10 при приводе ротора цепной передачей от лебедки, либо шарнир карданного вала. Разъемные вкладыши 5, состоящие из двух половин устанавливают в проходное отверстие ротора, верхняя часть которого снабжена квадратной вышкой. Верхняя часть вкладышей также имеет квадратную форму, в которую входят выступы верхней части зажимов 6 ведущей трубы или роликового зажима при бурении. При СПО в отверстие вкладышей вставляют конусную втулку для клинового захвата. При бурении зажимы 6 или роликовые зажимы закрепляют болтами, оставляют на ведущей трубе и вместе с ней опускают в отверстие вкладыша 5. Рис.2.1 Ротор с конической зубчатой передачей Р-560 1- станина; 2 - осаждение стола; 3 - стол ротора; 4 - главная опора стола; 5 - разъемные вкладыши; 6 - зажимы; 7 - приводной вал; 8 сепаратор подшипника; 9 - вспомогательная опора стола; 10 - цепная звездочка; 11- стопорное устройство 6 Стопорное устройство 11 служит для фиксации стола ротора. Рукоятка управления стопорным устройством расположена в углублении верхней ограды ротора. В углублении она защищена от повреждений, кроме того, не мешает работать. При переводе рукоятки в рабочее положение выдвигается упор, входящий в одну из специальных прорезей на наружной поверхности стола, и препятствует вращению. Для обеспечения труда рабочих и ускорения СПО работы комплектуют пневматическими клиновидными захватами (рис. 2), для чего на роторе предусмотрен кронштейн, к которому присоединяется механизм подъема и опускания в отверстии ротора клиньев. Диаметр отверстий в столе ротора и максимальная статическая нагрузка на столе ротора - основные классификационные параметры. Они определяют максимальный диаметр долота и максимальный диаметр и вес обсадной колонны, которая может быть опущена в скважину. Таблица 2.1 Техническая характеристика роторов Параметры Р-460 Р-560 Р-700 Р-950 Р-1260 Допускаемая нагрузка на стол ротора, МИ: статическая 2 3,2 5 6,3 8 при частоте вращения 100 1 1,78 2,3 3,2 3,2 Наибольшая частота вращения 200 250 250 250 200 стола, об/мин Диаметр отверстия в столе, мм 460 560 700 950 1260 Условный диапазон глубин 600- 2500- 3200- 4000- 6500бурения, м 1250 4000 5000 8000 12500 Передаточное число конической 2,77 3,61 3,13 3,81 3,96 пары Наибольшая передаваемая 185 370 370 500 600 Масса, т 5,85 4,8 7 10,27 2.2 Конструкции роторов ОМЗ (Уралмаш) Все выпускаемые в настоящее время на ОМЗ (Уралмаш) роторы имеют одинаковую конструкцию и отличаются только габаритными размерами (табл. 2.2, рис. 2.3). Ротор (рис. 2.4) состоит из следующих основных частей: станины 1, стола 2 с зубчатым венцом 3, двух подшипников 4, 5, приводного вала 6, верхней крышки 7, нижней крышки 8, крышки 9, стопорного механизма (рис, 2.5). 7 Таблица 2.2 Параметры роторов ОМЗ Технические характеристики Тип ротора Р-700 Р-950 Р-1260 Допускаемая статическая 5000 6300 8000 нагрузка на стол ротора, кН Статический крутящий момент на 80 120 столе ротора, кН*м Частота вращения стола 5,83 (350) 5,83 (350) -1 ротора, с (об/мин), не более Передаточное число от 3,61 3,81 приводного вала до стола ротора Расстояние от оси ротора до оси 1353 1353 первого ряда зубьев звездочки, мм Масса (без вкладыша), кг 4790 7000 Размеры (см. рис, 2.3), мм А 2270 2425 Б 680 750 В 740 875 Г 1945 2065 Д 1545 1850 Е 305 330 Ж 1200 1550 И 775 925 к 2010 2165 л 1270 180 5,33(350) 3,96 1651 9460 2910 800 1070 2535 2230 360 1930 1115 2630 - Станина 1 (см. рис. 2.4) представляет собой жесткую конструкцию коробчатого сечения, отлитую из углеродистой стали. Внутренняя часть ее имеет расточки для установки основной и вспомогательной опор. Прямоугольная станина заканчивается цилиндрической, открытой снизу горловиной, в которой устанавливается приводной вал. Сверху станина 8 имеет кольцевые гребенки верхнего лабиринтного уплотнения. На станине предусмотрены площадки для установки кронштейна ПКР и стопорного механизма. Стол 2 (см. рис. 2.4) выполнен методом стального литья и имеет центральное отверстие для пропуска бурильного инструмента и колонны обсадных труб. В верхней части стола имеется квадратное углубление для установки в нем разъемного вкладыша, переходной втулки или корпуса ПКР, которые предохраняются от вертикального перемещения стопорами. Стол установлен на двух подшипниковых опорах - основной 4 и вспомогательной 5, представляющих собой упорно-радиальные шарикоподшипники. Основная опора принимает на себя нагрузку от веса бурильной или обсадной колонны и устанавливается на регулировочное кольцо 10. Вспомогательная опора воспринимает вертикальные усилия, идущие от забоя скважины в процессе бурения, и устанавливается на нижней крышке 8. Вращение столу ротора передается через коническую зубчатую пару, венец которой посажен на стол по горячей посадке. Верхнее кольцо основной опоры устанавливается на стол посадкой с натягом, а нижнее свободно установлено в кольцевой проточке станины. От поворота кольцо фиксируется дюбелем. Верхнее и нижнее кольца вспомогательной опоры фиксируются от проворачивания дюбелями. В верхней части стола имеются гребешки, которые вместе со станиной образуют верхнее лабиринтное уплотнение для защиты внутренней полости ротора от попадания бурового раствора. 9 Рис. 2.5 Стопорный механизм ротора На приводной вал 6 (см. рис. 2.4) установлена на шпонке коническая шестерня 11, на другом его конце - звездочка цепного привода или муфта кардана. Вал на двух роликовых конических подшипниках 12 установлен в стакан 13, который имеет в средней части вырез масляной ванны и закрывается с обеих сторон защитными фланцами 14 и 15 с севанитовыми уплотнениями 16. От потери масла по шейке вала между торцами втулок 17и 18установле-ны уплотняющие резиновые кольца 19. Стакан устанавливается в горловину станины, уплотняется резиновыми кольцами 20 (см. рис. 2.4) и крепится болтами. Шестерня от осевого перемещения фиксируется фланцем 21, Масляная ванна приводного вала закрывается крышкой 22 с пробкой конической 23. Регулировка зубчатого зацепления производится с помощью регулировочного кольца 10 и прокладок 24. Крышка верхняя 7 (см. рис. 2,4) представляет собой жесткую коробку, закрывающую вращающийся стол. Сверху крышка имеет рифленую поверхность. Нижняя крышка 8 (см. рис. 2.4) и крышка 9 образуют нижнее лабиринтное уплотнение и масляную ванну вспомогательной опоры. Они уплотняются шнуром резиновым 25 и 26. Стопорный механизм (см. рис. 2.5) устанавливается в станине на специальной площадке и служит для стопорения стола ротора. В столе имеются 24 прямоугольных паза, с помощью которых он может быть застопорен через каждые 15°. Стопорный механизм состоит из корпуса 1, закрепленного на станине болтами 2. В корпусе установлена шпонка 3 (с выступом с одной стороны) с болтом 4, который для шпонки является осью вращения и направлением при вертикальных перемещениях. На болт установлена пружина сжатия 5, которая удерживает шпонку в корпусе. Сверху к шпонке крепится болтами 7 отбойник 6, в который вставляется рукоятка 8. Для включения стопорного механизма необходимо поднять рукоятку 8 в рабочее положение и при помощи рукоятки вынести шпонку 3 на поверхность верхней крышки. Повернуть шпонку на 180°, чтобы выступ шпонки вошел в паз стола, и опустить рукоятку - стол застопорен. Смазка ротора осуществляется из двух ванн ванны зубчатого зацепления и приводного вала. Смазка основной опоры производится из ванны зубчатого зацепления разбрызгиванием, масло с основной опоры попадает на вспомогательную опору, а излишки масла через специальные окна сбрасываются обратно в ванну зубчатого зацепления. 2.3 Конструктивные схемы роторов. Системы смазки роторов На рис. 2.6,а показана конструкция ротора с проходным отверстием диаметром 560 мм, консольно-расположенным коническим колесом, верхним расположением главной опоры 10 и ведущим валом, смонтированным на роликоподшипниках. В опоре, находящейся около конической шестерни, установлен сдвоенный конический роликоподшипник, воспринимающий радиальные и осевые нагрузки; у звездочки установлен роликоподшипник с цилиндрическими роликами, воспринимающий только радиальные нагрузки. Ротор, приведенный на рис. 2.6,6, казалось бы, выполнен по более удачной схеме; коническое колесо расположено между опорами стола ротора, главная опора в масляной ванне, осевые нагрузки на ведущем валу воспринимаются сферическим роликоподшипником, установленным около звездочки и менее нагруженным радиальными нагрузками. Однако практика эксплуатации этих роторов показала, что ротор, выполненный по этой схеме, работает значительно хуже, чем ротор, выполненный по схеме рис. 2.6,а с консольно-расположенным колесом. Это объясняется тем, что в этом роторе лучше организована циркуляция смазки в главной опоре. Стекающее с конического колеса масло не может прямо попасть в главную опору; попадая сначала в картер, оно имеет возможность отстояться, прежде чем попасть во внутреннюю часть подшипника. Так как уровень смазки достигает центров шаров опоры, масло оттуда центробежной силой выбрасывается в картер, создавая циркуляцию, обеспечивающую хорошую смазку и охлаждение. В роторе (см. рис. 2.6,6), несмотря на лучшую схему расположения колеса между операми, верхний вспомогательный подшипник быстро выходит из строя, так как в опоре большого диаметра неправильно решена принудительная система смазки. Нижняя главная опора, находясь в масляной ванне, не защищена от попадания в нее продуктов износа зубчатой передачи. Для верхней опоры предусмотрена принудительная смазка, усложнившая конструкцию. Эта конструкция не обеспечивает требуемой точности расположения осей опоры, так как верхний подшипник монтируется в промежуточной крышке, а не в корпусе, что снижает точность монтажа и надежность конструкции. И если не обеспечены условия точности, качества изготовления и хорошей смазки, осуществляющей надежный отвод тепла, то при столь высоких скоростях трудно ожидать надеж ной работы ротора. 11 Рис. 2.6 Конструкции роторов с различным расположением вспомогательной опоры стола а — под зубчатым колесом; б — над зубчатым колесом; 1 — станина; 2 — крышка; 3 — стол ротора; 4, 9 — опоры главная и вспомогательная; 5 — вкладыши; 6 — зажим; 7 — вал быстроходный; 8 — втулка; 10 — насос смазочный; 11 — стопор Схема конической передачи и крепления вращающегося стола и ведущего вала в неподвижном корпусе определяется не только схемой расположения опор и передачи, но и обеспечением их надежной смазкой, предохранением подшипников от попадания в них продуктов износа и хорошим отводом тепла. Анализ конструкции ведущего вала ротора (см. рис. 2.6,а) показывает, что, несмотря на нагружение опоры у шестерни радиальными и осевыми нагрузками, сдвоенный конический подшипник с хорошо подобранными размерами обеспечивает требуемую долговечность, термические удлинения вала не влияют на зазор в зацеплении и не создают дополнительных нагрузок на подшипники, как в роторах других конструкций (см. рис. 2.6,6). Рис. 2.7 Системы смазки роторов 1 — стол ротора; 2,3 — опоры вспомогательная и главная; 4 — колесо коническое; 5 — корпус ротора Система смазки играет важную роль, особенно в роторах большого диаметра при высоких частотах вращения пример неудачного (рис. 2.7,а) и удачного (рис. 2.7,6) конструктивных решений системы смазки: На рис. 2.7,а масло из картера А конической шестерней забрасывается в полость Б и смазывает коническое колесо. Отработанное масло, стекая с этого колеса, попадает в камеру В главной опоры. Излишек масла стекает по каналу а, расположенному выше уровня центров шаров, в картер А, в 12 результате чего в камере В могут скапливаться продукты износа и масло не может свободно циркулировать. Нижняя опора отделена от картера А и смазывается универсальной среднеплавкой смазкой, малопригодной для высоких частот вращения при больших диаметрах подшипников. На рис 2.7,6 показана более удачно решенная система смазки жидким маслом обеих опор стола ротора. Масло, находящееся в картере А, захватывается конической шестерней и попадает на коническое колесо. Грязное масло, стекая с колеса, сразу не может попасть в главную опору, так как она закрыта высоким буртом d. Оно попадает в камеру Б, откуда по каналу С расположенному немного выше дна камеры Б (чтобы препятствовать попаданию частиц грязи), поступает во внутреннюю часть главной и вспомогательной опор. Затем при вращении стола ротора оно выбрасывается центробежными силами через бурт d и канал b в картер А, создавая непрерывную циркуляцию. Наличие буртов в каждой камере позволяет поддерживать определенный уровень масла, достаточный для обеспечения смазки при запуске и небольших частотах вращения стола ротора. На рис. 2.8 показан ротор диаметром 450 мм. Привод стола осуществлен цилиндрической зубчатой передачей, а в главной и вспомогательной опорах применены два одинаковых упорно-радиальных шарикоподшипника. Смазка главной опоры барботажная. Вспомогательная опора размещена в масляной ванне, образованной корпусом и стаканом. Верхняя главная опора открыта, хотя продукты износа и могут туда попасть, но не могут там скапливаться, так как имеется свободный сток масла в картер. Такая смазочная система работает удовлетворительно, поскольку окружные скорости в этом роторе при небольшом диаметре подшипника не превышают 8 м/с. В роторах должна быть предусмотрена высокая точность регулировки конического зубчатого зацепления. Регулировка колеса выполняется обычно с помощью прокладок, устанавливаемых между корпусом и главной опорой, а регулировка шестерни — прокладками, устанавливаемыми между корпусом ротора и фланцем стакана, в котором смонтирован на подшипниках быстроходный вал ротора. Зазор в подшипниках главной и вспомогательной опор стола ротора регулируется тонкими металлическими прокладками. Зубчатая коническая передача и опоры стола ротора должны быть сконструированы так, чтобы масло, стекающее с зубчатого колеса, прежде чем попасть в опоры, проходило через отстойник. 13 Рис. 2.8 Ротор с цилиндрической зубчатой передачей 1 — стол; 2 —вкладыш; 3 — зажим; 4 — защелка; 5 — опора главная; 6 — ось; 7 — вал быстроходный; в — колесо коническое; 9 — шестерня цилиндрическая; 10 — стакан; 11 — колесо зубчатое; 12 — станина В некоторых конструкциях роторов в нижних частях картера предусматриваются магнитные маслоочистители. Вместимость масляной ванны должна обеспечивать достаточный запас жидкого масла для отвода тепла и охлаждения масла; допускается его нагрев не выше 80 °С. 3 КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РОТОРОВ 3.1 Станина ротора Станина ротора представляет собой жесткую конструкцию коробчатого типа из стального литья или сварную из литых элементов из углеродистой стали марок 35Л, 40Л и др. Внутренняя часть ее одновременно является масляной ванной. В верхней части станины имеются кольцевые бурты (обычно три), создающие лабиринтное уплотнение, предохраняющее от выбрасывания масла из станины и попадания в нее бурового раствора и грязи. Станина должна быть достаточно жесткой для восприятия статических и динамических нагрузок. Оси отверстий и посадочных гнезд подшипников опор стола и ведущего вала должны быть строго перпендикулярны, пересекаться между собой, а отверстия концентричны во избежание перекосов подшипников. Внутренняя часть станины представляет собой резервуар (обычно вместимостью 20—60 л), заполненный до определенного уровня маслом. В станине предусматриваются отверстия для залива и слива масла и установки щупа для контроля его уровня. Внутренние элементы и стенки станины укрепляются ребрами для придания большей жесткости и прочности конструкции. Толщина стенок и ребер 12—25 мм. В полозьях станины предусматриваются отверстия для пропуска каната, служащего для подъема ротора при монтаже и демонтаже. 3.2 Стол ротора Стол ротора представляет собой стальную отливку с отверстием в середине и втулкой, служащей для монтажа его в опорах. Верхняя часть отверстия стола имеет квадратное углубление, в которое вставляется верхняя квадратная часть вкладышей. Размеры отверстий стола ротора и вкладышей нормализованы (рис. 3.1, табл. 3.1). Столы роторов изготовляются из стального литья марок 35Л, 40Л и др. Диаметр стола ротора зависит от 14 диаметра проходного отверстия. Толщины стенок стола выбираются конструктивно (не менее 15 мм). Таблица 3.1 Размеры вкладышей и отверстия стола ротора, мм (рис. 3.1) Отверстие стола ротора Вкладыш Номинальный диаметр в в, 445 520 700 444,5 520,7 698,5 462,0 538,1 716,0 443,0 519,1 697,0 460,4 536,6 714,8 3.3 Вкладыши и зажимы Вкладыши и зажимы являются промежуточными элементами между столом ротора и ведущей трубой или клиньями. В отверстии ротора вставляется промежуточный вкладыш, состоящий из двух половин с квадратной верхней частью и цилиндрической нижней. Во внутренне коническое отверстие вкладыша, диаметр которого больше наибольшего диаметра замка бурильных труб, вставляют либо зажимы скольжения ведущей трубы, либо роликовые зажимы Рис 3.1 Размеры вкладышей и отверстия стола ротора. Для роторного бурения следует применять роликовые зажимы, так как меньшее трение между роликами и ведущей трубой снижает износ ведущих труб, уменьшает осевую нагрузку на главную опору и позволяет более точно поддерживать на долоте заданную нагрузку. Роликовые зажимы надевают на ведущую трубу и оставляют на ней в течение всего времени бурения. При опускании ведущей трубы в отверстие ротора нижнюю квадратную часть корпуса зажима устанавливают в квадратное отверстие промежуточного вкладыша ротора и фиксируют стопорами. 15 В верхней части вкладышей ротора должны быть предусмотрены пазы для их захвата и подъема, и пазы для замка, которым вкладыши запираются в процессе бурения для предохранения их от выскакивания при вибрациях или вынужденных небольших подъемах бурильной колонны. 3.4Коническая зубчатая передача Коническая зубчатая передача в роторе один из ответственных элементов, определяющих срок его службы. При частотах вращения стола ротора 350 об/мин окружные скорости в зубчатой передаче достигают 15-20 м/с и больше. Передачи изготовляют с высоким классом точности. В современных роторах передаточное отношение u21≤4. Поскольку размеры ведомого большого колеса определяются конструктивно диаметром проходного отверстия стола ротора, размеры ведущей шестерни стремятся принимать возможно большими, допускаемыми высотой конструкции; число зубьев определяется в зависимости от величины модуля. В роторах буровых установок, рассчитанных на большие нагрузки, модуль зацепления обычно находится в пределах 10-20 мм. Ширина зубчатых колес b для конических передач не более 0,2Е (Еконусная дистанция, мм. Коническую зубчатую передачу для обеспечения требуемой долговечности следует изготавливать со спиральным или косым зубом с углом наклона βдо 30° При термообработке до нарезки зубьев твердость 25-32 HRC. После нарезки зубьев их термообработка до твердости 50-58 HRC. Твердость ведущих шестерен должна быть на 3-5 HRC больше ведомых. 3.5 Опоры стола ротора Подшипники стола ротора в большинстве случаев используют упорно радиального типа, так как в роторах очень высокие скорости движения тел качения. Шарики допускают более высокие скорости, чем ролики, и центробежные силы тел качения воспринимаются беговой дорожкой кольца. Чаще в основной и во вспомогательной опорах применяют однорядные подшипники (рис. 3.2, а). Некоторые зарубежные фирмы применяют в роторах небольших диаметров сдвоенные подшипники – шариковые однорядные или двойной (рис. 3.2, б и в) и конические (рис. 3.2, г). Конические подшипники для высоких частот вращения должны иметь очень высокую точность изготовления. Основная характеристика опор качения роторов приведена в табл. 3.2. 16 Таблица 3,2 Характеристика подшипников опор качения роторов Опора Условное Размеры Тело Грузопод Пред качения обозначени подшипника, качения ъемность ельна е мм , МН я подшипник Тип d D Н Диамет Кол Стат Дин часто Мас а или ротора р, мм -во ичес ами та с фирмакая, ческ вращ а, кг изготовите Соа ая ения, ль Са1 об/м 0" 1 ин Основная 71682/560г БУ520 750 85 44,45 37 2,58 3,10 350 96 — 50БР шарикопод 91682/670г У7-520-670 900 140 69,85 30 5,17 5,17 350 215 шипники 3 91682/750х У7-560-750 1000 150 76,2 20 4,10 4,44 250 227 6 упорноУ7-760 900 1150 150 76,2 34 7,00 9,50 230 284 радиальны 1681/670х Р-560 750 1000 150 76,2 29 8,42 10,3 250 308 е 1687/770х Р-700 770 1000 150 76,2 31 9,00 10,6 250 292 1687/1060 Р-950 106 1280 150 63,5 48 9,67 9,80 250 460 1687/1400 Р-1260 140 1630 150 63,5 62 12,5 10,9 200 490 «Вирт» PT55- 770 1000 160 76,2 31 6,35 5,94 350 27 '/2 А-205 780 990 150 76,2 26 5,35 5,64 350 «Нэйшенл» С-275 105 1280 150 76,2 32 6,55 6,04 350 С-375 0 1540 145 69,85 40 6,90 6,23 350 131 С-495 162 1850 130 57,15 48 7,00 5,35 350 «Ойлвелл» А-37Й 131 1540 150 76,2 41 8,4 7,16 350 «Гарднер- KT-17 675 905 130 63,5 25 5,75 4,00 400 Денвер» !/2 KT-22 800 1030 150 28 6,55 5,55 400 1 76,2 105 1280 150 32 9,10 400 KT-27 76,2 Основная — роликопод Р-450- 545 850 183 62x75x 22 7,70 5,19 240 356 шипники ШЗ 100* упорноР-700- 790 1085 200 86x100 24 11,5 7,32 180 380 Ш2 радиальны е конические Вспомогат 1681/670х ельная— шарикопод 71682/800 шипники упорно1681/85Ох радиальны 32634 е 1688/770х 1688/1060 Р560- 670 Ш8 У7-520-800 3 УР-760 850 Р-560 620 Р-700 770 Р-950 106 1689/1400х Р-1260 140 А-205 730 x102* 800 105 76,2 36 7,40 3,30 350 150 1060 118 60,0 39 6,88 4,96 230 187 1000 120 800 105 1000 90 1280 90 76,2 47,6 44,4 38,1 36 38 48 72 7,40 3,72 4,30 6,80 4,73 7,20 5,22 7,10 1630 150 38,1 94 6,82 7,90 200 156 850 100 50,8 24 «Нэйшенл С-275 908 1028 100 50,8 С-375 116 1280 100 50,8 С-495 146 1584 100 50,S 4 28 36 2,20 12,8 350 170 4 2,55 3,15 350 3,30 3,72 350 42 3,96 4,06 350 230 250 250 250 154 101 92,5 130 •Указаны наименьший и наибольший диаметры и длина ролика, мм. 3,6 Опоры быстроходных валов роторов Опорами ведущих быстроходных валов служат роликоподшипники почти всех типов. Обычно наиболее нагруженными являются подшипники, расположенные у ведущей шестерни, воспринимающие осевые нагрузки. В опорах, не воспринимающих осевые нагрузки, лучше применять роликоподшипники с цилиндрическими роликами, позволяющими компенсировать без смещения наружной обоймы тепловые расширения вала и неточности его монтажа. Если по расчетной долговечности не удается подобрать подходящий подшипник с цилиндрическими роликами, то может быть применен или сферический радиальный подшипник с бочкообразными роликами, или двойной конический. В этом случае с приводной стороны вала целесообразно применять роликовые цилиндрические подшипники, допускающие осевые смещения, или сферические роликоподшипники с бочкообразными роликами, но иногда применяют и сдвоенные конические или цилиндрические роликоподшипники. 2 Рис. 3.2 Подшипники опор стола ротора: 1 — кольцо внутреннее; 2 — сепаратор; 3 — кольцо наружное; 4 — кольцо внутреннее вспомогательной опоры 4 МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ РОТОРА Надежная работа ротора во многом зависит от правильности его монтажа и эксплуатации. Обычно ротор устанавливают в пазах вышечного основания. Частоту вращения ротора изменяют при помощи передаточных механизмов лебедки или же путем смены цепных колес. В основном все роторы имеют одинаковую конструкцию, различаются они по грузоподъемности, проходным отверстиям в столе и приводом ведущего вала: цепным или карданным. Монтируют ротор по центру вышечного основания на двух подроторных балках. Современные конструкции оснований вышечно-лебедочного блока комплектуются подроторными балками, которые определяют место монтажа ротора. При агрегатном способе монтажа можно устанавливать ротор на деревянных брусьях сечением 36x36 см с лазами под ротор шириной 15 см и глубиной 8-10 см. На основание ротор поднимают при помощи крана, а на подроторные балки - при помощи талевой системы или троса, перекинутого через ролик козловой части вышки. Монтируют ротор после установки шахтового направления. Расстояние от нижней плоскости ротора до торца шахтового направления должно быть не меньше 400 мм. Правильность монтажа ротора проверяется по точке пересечения шнуров, натянутых по диагоналям ног вышки. Вертикальная ось ротора должна совпадать с отвесом, опущенным из точки пересечения шнуров. В горизонтальной плоскости ротор проверяется по уровню. Если привод ротора осуществляется от цепной передачи лебедки, то продольная ось ротора по приводному валу должна находиться на поперечной: оси буровой. В этом случае проверяется правильность монтажа ротора по совпадению цепных колес ротора и лебедки в одной плоскости. Параллельное смещение колес допускается не более 2 мм на 1 м длины. Эта проверка осуществляется с помощью шнура. Для предохранения ротора от смещения а сторону лебедки при натяжении цепи между станиной ротора и рамой лебедки устанавливают распорку или ввинчивают упорные болты в кронштейны, приваренные к подроторным балкам. 3 Горизонтальность стола следует выверять по уровню. Центр проходного отверстия должен строго совпадать с геометрической осью скважины. При монтаже ротора с приводом от лебедки цепной передачей необходимо обращать внимание на то, чтобы ведущее колесо на валу лебедки и ведомое цепное колесо на ведущем валу ротора находились в одной плоскости без перекоса. Параллельное смещение допустимо не более чем 0,5 мм на 1 м длины межцентрового расстояния. Расстояние от выходного фланца превентора или обсадной колонны до наружного торца втулки стола ротора должно быть не менее 600 мм. При монтаже ротора необходимо проверить наличие и качество смазки в его корпусе. Затем следует вручную провернуть стол ротора на несколько оборотов. Стол должен проворачиваться усилием одного рабочего: если стол свободно вращается (без заеданий), то его надо проверить на холостое вращение от силового привода в течение 15-20 минут, наблюдая за плавностью работы и температурой. Первые 2-3 дня эксплуатации нового ротора необходимо особенно тщательно следить за температурой и уровнем смазки, качестве смазки надо проверять в течение всего времени эксплуатации ротора. Повышение температуры корпуса ротора выше 80°С недопустимо. Менять масло и промывать ротор следует в соответствии с заводской инструкцией. Если в масляной ванне будет обнаружен раствор или грязь, то корпус ротора должен быть опорожнен и промыт, после чего может быть восстановлена работа. Если в процессе работы ротора наблюдаются рывки, чрезмерный нагрев, стуки или другие неполадки, то работа ротора должна бить прекращена. Ротор надо заменить другим или его следует отремонтировать, устранить дефекты, после чего повторить его опробование. Уход за ротором в процессе эксплуатации заключается в следующем:  систематическая обмывка ротора снаружи и удаление раствора и  грязи;  проверка состояния стопорного механизма;  осмотр вкладышей и зажимов ведущей трубы (защелки должны свободно перемещаться от усилия руки);  проверка легкости вращения стола;  крепление болтов гаек;  смазка цепи трансмиссии и проверка состояния ограждения;  проверка уровня и качества масла в картере. При монтаже и демонтаже ротора необходимо соблюдать предосторожности: поднимать и перемещать ротор надо в горизонтальном положении, захватывая его в трех точках за рамы корпуса, во избежание переворачивания, что может привести к травмированию рабочих. Зубчатая передача и опоры ротора смазываются из общей ванны или масляным насосом под давлением. Масло в картер заливается через отверстие, закрываемое пробкой. В пробку вставляют щуп, с помощью которого определяют уровень масла в ванне. 4 Место смазки период смазки Указание по смазке лето зима Зубчатая коническая передача, Масло Масло В ванну заливают масло главная и вспомогательная опоры индустр индустриал в соответствии с иальное ьное 12, инструкцией. 50, И-И-12А Пополнение ванны по 50А (ГОСТ мере надобности. (ГОСТ 20799-75) Контроль уровня щупом 20799ежедневно. Смена масла 75) не реже одного раза в 2 месяца. Картер приводного вала то же то же Вспомогательная опора и Смазка подшипники приводного вала универсальная среднеплавкая УС-3 (ГОСТ 1033-79) Таблица 4.1 Карта смазки ротора ВЕРТЛЮГ Назначение вертлюгов Вертлюг предназначен для подвода промывочной жидкости в колонну бурильных труб при обеспечении свободного вращения бурильной колонны, поэтому он является промежуточным звеном между талевой системой и вращающимся бурильным инструментом. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых насосов. При этом ведущая труба бурильной колонны соединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спуско-подъемных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоединяется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодического проворачивания бурильной колонны с целью предотвращения прихватов. В процессе эксплуатации вертлюг испытывает статические осевые нагрузки от действия веса бурильной колонны и динамические нагрузки, создаваемые продольными колебаниями долота и пульсацией промывочной жидкости. Детали вертлюга, контактирующие с раствором, подвергаются абразивному износу. Износостойкость трущихся деталей вертлюга снижается в результате 5 нагрева при трении. 2. УСТРОЙСТВО ВЕРТЛЮГА Вертлюги, применяемые в бурении эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, имеют общую конструктивную схему и различаются в основном по допускаемой осевой нагрузке. Конструктивные отличия некоторых узлов и деталей отечественных и зарубежных вертлюгов обусловлены требованиями изготовления и сборки, разрабатываемой с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долговечности. Детали вертлюгов можно подразделить на две группы: невращающиеся, связанные с корпусом вертлюга крюком и буровым рукавом; вращающиеся, связанные со стволом вертлюга и бурильной колонной. На рис. 1.1, а показано схематическое устройство вертлюга для бурения глубоких скважин, а на рис. 1.1, б—его внешний вид. Основная вращающаяся деталь вертлюга — полый ствол, воспринимающий вес колонны. Ствол, смонтированный в корпусе на радиальных и упорных или радиально-упорных подшипниках качения, снабжён фланцем, передающим вес колонны через главный опорный подшипник на корпус и далее на штроп. Опоры ствола вертлюга фиксируют его положение в корпусе, препятствуя осевым вертикальным и радиальным перемещениям и обеспечивая его устойчивое положение при вращении. Вес корпуса вертлюга, толчки и удары от колонны снизу вверх воспринимаются вспомогательной осевой опорой, устанавливаемой обычно над главной. Ствол вертлюга является ведомым элементом. При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны (по часовой стрелке, если смотреть сверху на ротор) ствол и все, связанные с ним, детали во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Исключения составляют устройства, в которых совмещены вертлюг и ротор. Ствол такого вертлюга является ведущим элементом и имеет правую резьбу. Вертлюг имеет штроп для подвески его на крюках различной конструкции. Штроп крепится к корпусу на осях и должен иметь возможность поворачиваться на угол до 40°. Корпус имеет приливы, которые исключают консольный монтаж осей штропа, ограничивают поворот и устанавливают его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с ведущей трубой находятся в шурфе. К верхней крышке корпуса прикреплен изогнутый патрубок-подвод с резьбой или фланцем, к которому присоединяется напорный буровой рукав. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжелых условиях, срок его службы значительно меньше срока службы остальных деталей вертлюга, поэтому сальник выполняется быстросменным. Проточную часть вертлюга выполняют обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и износа абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе, движущемся со скоростью до 6 м/с. 6 Размеры корпуса и конструкция вертлюга выполняются с учетом обеспечения надежной смазки всех опор и отвода от них тепла. Рис. 1.1. Вертлюг буровой : 1 - ствол; 2, 8 - нижний и верхний масляные сальники; 3 - корпус; 4 ,6 - подшипники радиальные нижний и верхний; 5 опора главная; 7 - опора вспомогательная; 9 – уплотнение быстросменное; 11 труба напорная; 12 - крышка; 13 - подвод;14-штроп. В верхней и нижней частях корпуса для уплотнения зазора между корпусом и вращающимся стволом устанавливают самоуплотняющиеся манжетные сальники, которые защищают внутреннюю полость корпуса с масляной ванной от попадания в них влаги и грязи извне и удерживают масло от вытекания из нее при вертикальном рабочем и горизонтальном нерабочем положении вертлюга во время транспортировки и хранения. Вертлюги снабжаются устройствами для заливки, спуска и контроля уровня масла, а также сапунами с отверстиями для уравновешивания с атмосферным давления воздуха, создающегося, внутри корпуса при нагреве в процессе работы. Корпуса выполняются обтекаемой формы для того, чтобы вертлюг не 7 цеплялся за детали вышки при перемещениях. Детали предохраняются от самоотвинчивания. Основные рабочие элементы и подшипниковые сборки, особенно главный опорный подшипник, воспринимающий наибольшие нагрузки, должны обеспечивать длительную работу на всех режимах. Конструктивно детали вертлюга должны быть технологичны и просты в сборке. Как и другое буровое оборудование, вертлюги должны быть приспособлены к транспортировке любыми транспортными средствами без упаковки. Для уменьшения числа типоразмеров оборудования в отечественной и зарубежной практике бурения вертлюги классифицируют по допустимой нагрузке на ствол и глубине бурения. Для всего диапазона статических нагрузок и глубин бурения обычно применяют 6—8 классов вертлюгов по следующему ряду нагрузок: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 3,2; 4,0; 6,3; 8,0 МН для глубин бурения 600…12500 м. Основная техническая характеристика вертлюгов основных российских производителей приведена в табл. 1.1, 1.2. Уменьшение числа классов вертлюгов в ряду по сравнению с числом классов буровых установок объясняется тем, что в процессе бурения вертлюг можно легко сменить и часто при бурении глубоких скважин применяют вертлюги двух-трех классов. В начале цикла бурения применяют вертлюг, рассчитанный на меньшую нагрузку, а по достижении определенной глубины скважины, когда вес бурильной колонны увеличится, используют вертлюг, рассчитанный на большую нагрузку. Таблица 1.1 Технические характеристики вертлюгов, выпускаемых Волгоградским заводом буровой техники Параметры М10.56.00.000 Б1.56.00.000 ВВ-250 Статическая грузоподъемность, кН (тс) 1250 (125) 1600 (160) 2500 (250) 750 (75) 960 (96) 2000 (200) 200 250 220 76 76 76 Грузоподъемность при 100 об/мин ствола, кН (тс) Максимальное число оборотов, об/мин Диаметр проходного отверстия ствола, мм Присоединительная резьба с обеих концов переводника и нижнего конца ствола Максимально допустимое давление промывочной жидкости, прокачиваемое через вертлюг, МПа З-147Л 3-147Л З-152Л ГОСТ5286-75 ГОСТ5286-75 ГОСТ5286-75 25 25 8 32 Габаритные размеры, мм (l х b х h) 760х640х2970 760х640х2980 1070х910х2860 Масса, кг 1290 1310 2415 Таблица 1.2 Технические характеристики вертлюгов МК «Уралмаш» 3. КОНСТРУКЦИЯ ВЕРТЛЮГА УВ-250 МА На рис. 3.1. представлен вертлюг УВ-250МА, состоящий из деталей двух групп: невращающихся, связанных с подъемным устройством (крюком или автоматическим элеватором), и деталей, связанных с колонной бурильных труб и вращающихся вместе с ней. Невращающиеся детали: корпус вертлюга 3, крышка 4, штроп 5 и отвод 6. Вращающиеся детали: ствол вертлюга 2 и переводник 1. Корпус вертлюга представляет собой стальную полую отливку с кронштейнами, в которых выполнена горизонтальная расточка, частично затрагивающая и корпус вертлюга, для валиков 12, соединяющих вертлюг со штропом 5. Кронштейн корпуса вертлюга фиксирует штроп в положении, удобном для соединения его с подъемным устройством, когда вертлюг с ведущей трубой (квадратной штангой) установлен в шурф. Валики 12 предохраняются от продольного перемещения и поворачивания стопорными планками, входящими в продольные пазы, находящиеся с торца валиков и приваренные к корпусу вертлюга. Валики имеют с торца отверстие и резьбу для подвода смазки к трущимся поверхностям. 9 Рис. 3.1 Вертлюг УВ-250 МА Внутри корпус вертлюга имеет кольцевую площадку А, на которую устанавливается основной упорный роликовый подшипник 13, воспринимающий через ствол вертлюга 2 нагрузку от бурильной колонны. В нижней части корпуса расположена расточка для установки роликоподшипника 14. Роликоподшипник 14 с аналогичным подшипником 9, установленным в крышке 4, центрируют ствол вертлюга. Наружная обойма подшипника фиксируется пружинным кольцом, установленным в кольцевой паз, выполненный в корпусе вертлюга. Снизу корпус вертлюга закрывается крышкой 15. В нижней части корпуса предусмотрено уплотнение, предохраняющее утечку масла из масляной ванны. Сверху корпус вертлюга закрывается крышкой 4, в которой смонтирован подшипник 9, центрирующий ствол вертлюга, а в верхней части - манжетное уплотнение 8, предохраняющее внутреннюю полость корпуса от попадания раствора и загрязнения. На фланце вертлюга установлен упорный подшипник 11, закрепленный сверху наружной обоймой подшипника 9, установленного в крышке 4. Этот подшипник фиксирует ствол вертлюга в вертикальном направлении и воспринимает вертикальные нагрузки, возникающие в процессе проводки скважин. С 10 помощью стакана 10, крепящегося к фланцу ствола, образована масляная ванна для смазки верхнего центрирующего и упорного подшипников. Между отводом 6 и крышкой 4 зажата резьбовая втулка, к которой крепится верхняя гайка быстросъемного уплотнения 7. Нижняя гайка быстросъемного уплотнения присоединяется к резьбовой части ствола вертлюга. В верхней части крышки корпуса вертлюга установлен отвод 6, к которому прикреплен гибкий рукав для подвода жидкости (раствора) в вертлюг. Быстросъемное уплотнение, примененное в вертлюге УВ-250МА, обеспечивает подачу жидкости (раствора) под давлением до 25 МПа от неподвижного отвода 6 в канал вращающегося ствола и возможность быстрой замены износившихся деталей уплотнения. Особенностью вертлюга УВ-500МА является то, что в нем в качестве основной опоры поз. 3 применен (рис. 3.2) роликовый конический подшипник (351468 А SKF Швеция) с горизонтальной гладкой без упорных буртов опорной поверхностью нижнего кольца. Конструкция корпуса поз.2 и опорный выступ под основной опорой выполнены более прочными – более жесткими, что улучшает условия работы подшипника. Ствол вертлюга поз. 4 центрируется в корпусе радиальными роликовыми подшипниками поз. 5 и поз. 17. В верхней части ствол имеет резьбу для соединения с быстросъемным уплотнением. Нижняя часть ствола имеет замковую резьбу (левую) для соединения с ведущей трубой и колонной бурильных труб через переводник поз. 19. Вспомогательный упорный подшипник поз. 16 (8164Л ГОСТ 6874-75, 320х400х63) воспринимает нагрузку от веса невращающихся частей вертлюга, а также ударные нагрузки, направленные снизу вверх при забуривании скважины. Уплотнение быстросъемное (рис. 3.3) рассчитано на максимальное рабочее давление 40МПа и служит для предотвращения утечки бурового раствора во время бурения. Так как уплотнение конструктивно содержит быстроизнашивающиеся детали, которые требуют замены непосредственно на буровой, то для упрощения процедуры замены и сокращения времени на смену быстроизнашивающихся деталей конструкция уплотнения выполнена быстросъемной. Уплотнение состоит из вращающегося корпуса поз. 2 и невращающегося корпуса поз. 4 с установленными внутри них манжетами поз. 13 и трубой поз. 12. В верхней части трубы торцевая манжета 6 герметизирует разъем между торцами отвода и кольцами. В нижней части между трубой и стволом стоит уплотнительная манжета поз. 15, предотвращающая утечку промывочной жидкости из внутреннего канала. На трубе поз. 12 закреплен хомут поз. 3 при помощи стяжного болта поз. 11, на котором установлен сухарь поз. 10. Сухарь может поочередно вводиться в зацепление с одним из выступов на торцах корпусов поз. 2 и 4, поэтому труба может быть выборочно соединена с вращающимся корпусом или с неподвижным, т.е. она может вращаться вместе с вращающимся корпусом поз. 2 или быть неподвижной в месте с корпусом поз. 4. Герметизация зазора 11 между вращающимися деталями в первом случае обеспечивается манжетами корпуса поз. 4, а во втором - манжетами корпуса поз. 2. Свободно плавающая напорная труба позволяет обеспечить быструю замену уплотнений и самой трубы, изнашиваемых абразивными частицами, содержащимися в промывочной жидкости. Для этого необходимо отвернуть накидные гайки и, вытащив весь узел, заменить его новым либо заблаговременно отремонтированным, Работоспособность вертлюга зависит от надежности уплотнений, применяемых в его подвижных и неподвижных соединениях. Наиболее ответственными являются уплотнения напорной трубы, которые служат для предотвращения утечки промывочной жидкости, нагнетаемой под высоким давлением. Для этой цели используются самоуплотняющиеся радиальные и торцовые манжеты из синтетических материалов, обладающих достаточной упругостью и износостойкостью. Воротники манжет направлены навстречу действующему давлению и поэтому прижимаются к уплотняемым поверхностям с силой, пропорциональной давлению промывочной жидкости. Стыкуемые торцы напорной трубы и отвода уплотняются радиальной и торцовой манжетами, установленными в канавках кольцевой втулки. Втулка с манжетами надеты на напорную трубу и плотно прижаты к отводу вертлюга посредством накидной гайки. Противоположный стык между нижним торцом напорной трубы и стволом вертлюга уплотняется четырьмя радикальными манжетами, разделенными металлическими кольцами, и торцовой манжетой. Радиальные манжеты установлены в стакане и затянуты накидной гайкой , соединяющей, стакан со стволом вертлюга. Стакан вращается вместе со стволом, и радиальные манжеты скользят относительно напорной трубы, удерживаемой силой трения в верхней манжете. Скольжение вызывает износ контактируемых поверхностей, ускоряемый абразивным воздействием промывочного раствора. Поэтому нижнее уплотнение напорной трубы в отличие от неподвижного верхнего имеет многорядную конструкцию, благодаря которой повышаются его надежность и долговечность. Стакан снабжен винтовой масленкой для периодической смазки манжет с целью уменьшения износа и нагрева уплотнения в результате трения. Манжета, расположенная над смазочным отверстием в стакане, предотвращает утечку масла при шприцовке и предохраняет его от внешнего загрязнения. Торцовая манжета вращается вместе со стволом вертлюга и кольцом и остается неподвижной относительно стыкуемых поверхностей. Неточности, допущенные при изготовлении и сборке, компенсируются свободно плавающим положением напорной трубы. Напорные трубы изготовляются из низколегированных цементуемых сталей марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др. Наружная поверхность напорных труб шлифуется и имеет твердость НRС 56…62. На рис. 3.4 представлено нижнее уплотнение масляной ванны, включающее крышку поз. 9, две севанитовые манжеты поз. 7 с промежуточным кольцом поз. 8. Снизу манжеты поджаты нажимным кольцом поз. 11 и болтами поз. 12 10. Внутренняя обойма центрирующего подшипника 5 фиксируется от продольного перемещения втулкой поз. 4 и гайкой поз. 1 со стопорным винтом поз. 2. Для предотвращения утечки масла через зазор между распорной втулкой поз. 4 и стволом установлено уплотнительное кольцо поз. 3. Для уплотнения разъема между корпусом вертлюга и крышкой установлена паронитовая прокладка поз. 6. Угол поворота штропа ограничивается стенками карманов корпуса вертлюга и не превышает 50°. Пальцы штропа имеют смазочные канавки и отверстия с резьбой для пружинных масленок. Резьба смазочных отверстий используется для завинчивания рым-болтов, с помощью которых проводится распрессовка пальцев вертлюга. Ствол вертлюга представляет собой стальной цилиндр с центральным проходным отверстием для промывочной жидкости и с наружным фланцем для упорных подшипников. Ствол вращается с частотой бурового ротора и испытывает нагрузки, создаваемые бурильной колонной и промывочной жидкостью, нагнетаемой в скважину. По сравнению с другими несущими узлами и деталями ствол вертлюга наиболее нагружен. Это предъявляет повышенные требования к его прочности. Стволы вертлюгов изготовляют из фасонных поковок, получаемых методом свободной ковки. Благодаря применению таких заготовок снижаются расход материала и затраты на механическую обработку. Для стволов используют стали марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, приобретающие и результате ковки более совершенную кристаллическую структуру и повышенные механические свойства. В связи с тем, что ствол вертлюга и верхний переводник ведущей трубы имеют внутренние резьбы, для их соединения используется переводник ниппельного типа. С целью предотвращения самоотвинчивания при вращении долота ствол вертлюга, переводники и верхний конец ведущей трубы имеют левую резьбу. Следует напомнить, что нижний переводник ведущей трубы и все другие соединения бурильной колонны имеют правую резьбу, совпадающую с направлением вращения долота. Полость между корпусом с крышками и стволом вертлюга заполняется жидким маслом для смазки основного и нижнего радиального подшипников. Стакан 10 ствола образует отдельную масляную ванну для смазки вспомогательного и верхнего радиального подшипников. Масло заливается через отверстие в верхней крышке корпуса. Для слива отработанного масла предусмотрено отверстие в нижней крышке корпуса. Уровень масла проверяется контрольной пробкой, навинченной в корпус вертлюга. Масляные отверстия закрываются резьбовыми пробками. 13 Рис. 3.2. Вертлюг УВ-500МА 2-корпус; 3-основная опора; 4-ствол; 5,17-радиальный роликовый подшипник; 6-верхнее уплотнение масляной ванны; 7-отвод; 8-втулка; 9крышка; 10-маслоуказатель; 11-прокладка; 12-штроп; 13-масленка; 14-ось; 15-планка; 16-вспомогательная опора; 18-крышка; 19-переводник; 1,20пробки для слива масла. 14 Рис. 3.3. Устройство уплотнения 1,5-гайки; 2,4-корпусы; 3-хомут; 6-манжета торцевая; 7,8,9,14-кольца; 10сухарь; 11-стяжной болт; 12-труба; 13-манжеты; 15- манжета. Рис. 3.4. Уплотнение масляной ванны 1-гайка; 2-стопорный винт; 3-кольцо уплотнительное; 4-втулка; 5-подшипник радиальный роликовый цилиндрический; 6-прокладка паронитовая; 7манжета севонитовая; 8-кольцо промежуточное; 9-крышка; 10-болт; 11кольцо нажимное. 4. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕРТЛЮГА 15 Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной или углеродистой стали (35Л и др.), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемычкой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами. Конструкция опорных поверхностей подшипников в корпусе вертлюга должна исключать возможность нарушения ее перпендикулярности относительно оси ствола, так как это ведет к преждевременному износу основной опоры. Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола. На внешней поверхности корпуса в диаметральной плоскости размещаются два прилива, имеющие форму карманов с отверстиями для дренажа. В отверстиях стенок карманов монтируются две оси, шарнирно соединяющие корпус со штропом. В некоторых вертлюгах к корпусу приваривают или укрепляют на болтах кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов. Вертлюги с амортизаторами должны иметь несколько увеличенную ширину. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками. Вертлюг подвешивается на боковые рога подъемного крюка с помощью штропов элеваторов. Такая конструкция неудобна в эксплуатации, не уменьшает габаритов и массы вертлюга. Недостатком ее при эксплуатации является износ корпуса в зоне контакта со штропами подвески. Корпуса вертлюгов при изготовлении должны подвергаться дефектоскопическому контролю. Внутренние литые поверхности корпуса покрываются маслостойкой краской для предохранения от коррозии. Ствол вертлюга — наиболее нагруженная и ответственная деталь. На ствол действуют растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давление. Ствол также подвержен усталостному и абразивно-эрозионному износу по внутренней поверхности канала и механическому износу в зоне контакта с уплотняющими кольцами. Стволы изготовляются из конструкционных низколегированных улучшаемых сталей перлитного класса марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, 338ХВА, 34ХМ1М по ГОСТ 4543—71 и др. Заготовки стволов получают свободной ковкой, причем грибовидный опорный фланец выполняется за одно целое со стволом. Ствол подвергается закалке с последующим отпуском до твердости 280…320 НВ. Снаружи и внутри ствол подвергается механической обработке, посадочные поверхности и переходные участки шлифуют. Наружные и внутренние поверхности канала должны быть соосными, и иметь минимальную разностенность, а также жесткими для обеспечения равномерного распределения напряжений по сечениям. Диаметр канала ствола определяется скоростью потока промывочной жидкости; во избежание абразивного износа эта скорость не должна быть более 6 м/с. Канал ствола не 16 должен иметь резких пережимов и расширений. Увеличение диаметра канала влечет за собой увеличение его наружного диаметра, что снижает долговечность уплотнительных устройств. Для предохранения резьбы от износа применяют предохранительные переводники. Участки ствола, контактирующие с верхними и нижними уплотнительными манжетами, защищают от износа втулками или удлиненным внутренним кольцом подшипников. Поверхность втулок шлифуют и подвергают термообработке до твердости 45…50 НRС. Штроп. Штропы вертлюгов изготовляют из низколегированных конструкционных сталей марок 40ХН, 40ХНМА, 38ХГН, З0ХГСА и др. по ГОСТ 4543—71. Штропы изготовляют методом свободной ковки с высадкой и прошивкой проушин. Механической обработке подвергаются только отверстия и торцовые поверхности проушин. Штроп вертлюга изнашивается по отверстиям проушин и внутреннему радиусу дуговой части. Для защиты проушин от износа применяют сменные втулки. Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свободное вращение ствола и его фиксацию от радиальных и осевых перемещений. В качестве главной опоры в вертлюгах применяют подшипники упорные или упорно-радиальные (рис. 4.1) в последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и центрируется ствол в корпусе. Для работы при высоких частотах вращения подшипники имеют массивные стальные или бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и бессепараторные конструкции применяются редко. Основные опоры вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повреждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование поверхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям. Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение контактных напряжений уменьшают вероятность контактного скалывания и повышают долговечность основной опоры. Лучшие из этих упорных подшипников — роликовые сферические с бочкообразными роликами (рис. 4.1, г), обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки, в результате чего снижается износ внешних торцов роликов и колец подшипника. Однако вследствие сложности изготовления эти подшипники применяют весьма ограниченно. В обычных конических роликоподшипниках бурт кольца и торцы роликов сильно изнашиваются под действием центробежных сил, возникающих в роликах при вращении ствола. 17 Рис. 4.1. Подшипники главных опор вертлюгов В качестве основных опорных подшипников в вертлюгах, рассчитанных на большие нагрузки, чаще всего применяют роликовые подшипники с коническими роликами (рис. 4.1, б и в). Подшипники с цилиндрическими роликами (рис. 4.1, д) применяют реже, так как в упорных подшипниках ролики проскальзывают, что приводит к их износу и, как следствие, к ограничению частоты вращения ствола. В вертлюгах установок, используемых для бурения скважин глубиной до 1500 м, главной опорой часто являются шариковые подшипники. Упорнорадиальные подшипники (рис. 4.1, а)— одни из лучших для быстроходных вертлюгов, так как центробежные силы, действующие на шары, воспринимаются основной беговой дорожкой подшипника и не вызывают большого износа. Недостатки этих подшипников — относительно небольшая динамическая грузоподъемность и нарушение центровки ствола при износе, что ограничивает область их применения. Для вспомогательных опор вертлюгов обычно применяют упорные шариковые или роликовые подшипники. В качестве радиальных опор используют однорядные радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими, иногда и с игольчатыми роликами. Выбор того или иного радиального подшипника определяется конструктивными соображениями и возможностями использования стандартных подшипников. Весьма важен монтаж радиальных и вспомогательных подшипников. На рис. 4.2 показано несколько вариантов их размещения по высоте корпуса и его крышек. 18 Рис.4.2. Типы вспомогательных опор 1 - ствол; 2 - радиальный подшипник; 3 - вспомогательная опора; 4 - крышка; 5 - корпус. На рис. 4.2, а приведена конструкция с неудачно решенным монтажом радиального и упорного вспомогательного подшипников, последний центрируется через промежуточную плиту, а радиальный - непосредственно в корпусе, что не обеспечивает их соосности. Внутреннее кольцо радиального подшипника прижимается гайкой, для чего на стволе вертлюга нарезана резьба. Подобное решение увеличивает число деталей, усложняет и удорожает конструкцию и снижает ее надежность. На рис. 4.2, б и в показана более удачная конструкция с центровкой этих двух подшипников в одной и той же крышке корпуса, но в расточках разных диаметров, что также является недостатком, так как не гарантируется соосность расточек. Хотя подшипники центрируются в расточках разных диаметров, но выбран роликоподшипник с цилиндрическими роликами, т. е. ролик такого типа, в котором незначительная несоосность колец не сказывается на его долговечности. Более удачный вариант крепления этих подшипников показан на рис. 4.2, г. Оба подшипника центрируются в расточке крышки одного диаметра и обеспечивают их соосность. Эти конструкции не только проще, но и обеспечивают лучшие условия работы ствола. В конструкциях (см. рис. 4.2, б, в и г) регулировка упорного подшипника осуществляется прокладками между крышкой и корпусом, что проще и лучше, чем гайкой, так как при этом заранее можно проконтролировать необходимый зазор в подшипнике и установить прокладку нужной толщины, а при фиксации гайкой подшипник может быть пережат, чего не следует допускать во избежание ускоренного износа, перегрева и заклинивания. Уплотнительные устройства. В вертлюгах применяются уплотнительные устройства высокого и низкого давления. Разница — в рабочем давлении и свойствах рабочей среды предопределяет отличия их конструктивного исполнения. Уплотнения высокого давления герметизируют зазор между неподвижным подводом и вращающимся стволом при прокачивании 19 бурового раствора. По конструкции они подразделяются на две группы: бескорпусные и корпусные — быстросменные. Быстросменные уплотнения монтируются во вращающемся корпусе, который крепится к стволу вертлюга на резьбе или болтами (рис. 3.3,а). Рис.4.3. Уплотнение быстросменное. 1,3- гайки нажимные нижняя и верхняя; 2 - стакан; 4 - подвод; 5 - втулка; 6, 14 — манжеты торцового уплотнения; 7 - кольцо; 8, 10 - манжеты радиального уплотнения; 9 - труба; 11 - пресс-масленка; 12 - кольца дистанционные; 13 - грундбукса; 5- ствол. Быстросменное уплотнение вертлюга состоит из трех самоуплотняющихся манжет, расположенных во вращающемся корпусе, и короткой, легко сменяемой напорной трубы. Труба крепится к подводу быстроразъемным резьбовым соединением, корпус сальника — таким же соединением к верхней части ствола вертлюга, снабженной присоединительной резьбой. Корпус уплотняется резиновыми кольцами V-образного или круглого сечения. Конструкция гаек обеспечивает быстрые демонтаж и монтаж уплотнения на вертлюге. Каждая эластичная самоуплотняющаяся манжета, уплотняющая зазор между корпусом и трубой, размещается в индивидуальной камере, образуемой дистанционными кольцами. Камеры ограничивают деформации манжет под действием давления раствора. Верхняя манжета служит для 20 удержания консистентной смазки, периодически закачиваемой ручным насосом через пресс-масленку в манжетные камеры для снижения трения и износа. Это уплотнение надежно работает при рабочих давлениях до 35 МПа; испытательное давление 55 МПа. Следует учитывать, что применение большого числа манжет не увеличивает срок службы уплотнения, так как возможен перегрев вследствие плохого теплоотвода. Практикой установлено, что оптимальным является наличие трех рабочих манжет. При этом в зависимости от конструкции уплотнение осуществляется либо первой, либо последней манжетой, при выходе из строя которой начинает работать ближайшая к ней манжета, и т. д. Здесь излишняя страховка вредна, так как чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее идет износ, а надежность не повышается. Манжеты изготовляются из маслостойких резин с твердостью по прибору ТИР 76—86, резиноасбестовых композиций или пластмасс полиуретановой группы. Для изготовления напорных труб используют бесшовные трубные заготовки из низколегированных цементуемых конструкционных сталей по ГОСТ 4543—71 (например, марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др.). В некоторых вертлюгах применяют трубы из конструкционных среднеуглеродистых сталей. Наружную поверхность напорных труб подвергают высокоточной механической обработке. Долговечность напорного сальника зависит от давления уплотняемого раствора, его плотности, концентрации, абразивных частиц в нем и от частоты вращения ствола. Экспериментально установлено, что долговечность при давлении 16 МПа и плотности раствора 1200 кг/м 3 находится в пределах от 3·105 до 6·105 оборотов при частоте вращения ствола 70…200 об/мин. Сальники, удерживающие жидкую смазку в ванне корпуса вертлюга, имеют уплотняющие элементы — эластичные манжеты одностороннего действия. Уплотнительные кольца изготовляют из маслотеплостойких резин или пластмасс. Для повышения усилия обжатия применяют уплотняющие кольца с тороидальными пружинами. Между манжетами иногда устанавливают металлическое дистанционное кольцо для улучшения теплоотвода. Масляные сальники вертлюгов работают в относительно благоприятных условиях—при давлении, практически равном атмосферному. Скорость скольжения по уплотняемой поверхности обычно не превышает 3 м/с. Смазка вертлюгов. Почти во всех современных вертлюгах применяется комбинированная смазка—барботажная жидким маслом или с размещением в масляной ванне главной опоры и подшипников, расположенных в нижней части. Вертлюга, и местная универсальной среднеплавкой смазкой подшипников и других элементов, расположенных в верхней части. Жидкая смазка заливается в картер вертлюга до определенного уровня, универсальная подается к местам смазки через пресс-масленки. На долговечность вертлюга существенно влияют объем масляной ванны, уровень жидкой смазки в ней и форма внутренней полости корпуса. Объем 21 масляной ванны V (в л) зависит от нагрузки Рв (в МН), на которую рассчитан вертлюг при вращении с частотой 100 об/мин: V=20 Рв . На время транспортировки вертлюга сапун заменяют глухой пробкой. В нижней крышке корпуса следует предусматривать застойную зону, в которой собираются продукты износа. Для улавливания металлических частиц сливную пробку целесообразно оснащать магнитом. Рабочая температура масла +80°С. Для вертлюгов применяют индустриальные масла 12, 45 и 50. Смазка универсальная среднеплавкая УС-2 или УС-3 (ГОСТ 1033—79) применяется для шарнирных соединений штропа с корпусом напорного сальника высокого давления, верхнего и нижнего масляных сальников. 5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ Перед вводом в вертлюга в эксплуатацию необходимо осмотреть и проверить: - состояние всех наружных деталей; - надежность крепления и стопорения; - состояние манжет; - легкость вращения ствола. В процессе бурения для надежной работы вертлюга необходимо: - следить за температурой нагрева масла, работы при нагреве выше 80°С не допускаются; - не допускать, чтобы манжеты быстросъемного сальника пропускали промывочный раствор. Если это имеет место, надо заменить манжеты или подтянуть гайки быстросъемного соединения; - не допускать утечку масла из ванны. Если это имеет место, надо заменить манжеты; - проверять состояние вертлюга перед каждой сменой: штроп, корпус, ствол, переводник не должны иметь трещин, забоин и других дефектов. Таблица 5.1. Характерные неисправности вертлюгов и методы их устранения Наименование неисправности, Вероятная внешнее проявление и Метод устранения причина дополнительные признаки Чрезмерный корпуса вертлюга нагрев Избыток смазки Тугое вращение ствола Слить часть масла через пробку до контрольной пробки Добавить смазку до нормального Недостаточное уровня количество смазки Слить всю смазку, промыть Смазка загрязнена масляную ванну, заполнить ее свежим маслом Отсутствие мазки в Перебрать манжеты, очистить ствол, уплотнительных произвести смазку. манжетах Вертлюг отправить в промысловую 22 Неправильно отрегулирован люфт основной опоры и упорного подшипника при сборке вертлюга Заедание ствола Разрушение элементов основной опоры, центрирующих подшипников или другие внутренние разрушения Протекание бурового Большой износ или раствора через манжеты промыв трубы грязевой Протекание бурового раствора в резьбовом соединении переводника и ствола Утечка масла по стволу через манжеты, кольцо Износились манжеты Слабое крепление переводника Повреждение резьбы ствола при неправильном навинчивания переводника Промыв резьбы ствола и переводника Износились манжеты и кольцо мастерскую для регулировки зазоров в подшипниках, зазор должен быть в пределах 0,2…0,4 мм Вертлюг отправить в промысловую мастерскую для ремонта Снять сальник быстросъемный. Заменить трубу грязевую и манжеты. Заменить манжеты Закрепить переводник на стволе машинным ключом Вертлюг заменить и отправить в мастерскую для ремонта ствола и переводника Заменить манжеты и кольцо Ствол в местах работы манжет не должен иметь задиров и износа более 3 мм на диаметр. Отвод не должен иметь трещин, раковин и разъеданий. Износ поверхности грязевой трубы не должен превышать 3 мм на диаметр. Проверять люфт в проушинах штропа. Люфт в проушинах штропа не допускается. Проверять наличие смазки в узлах трения. При необходимости смазывать узлы трения через масленки. Проверять крепежные детали. Все крепежные детали должны быть без повреждений в резьбе, туго затянуты и застопорены. Примечания:. Неисправный вертлюгов работу не допускается. Основные места смазки вертлюга отражены в таблице 5.2. Таблица5.2 – Смазка вертлюга. Место смазки Смазка Подшипники, Масло манжеты МС-20С ГОСТ 21743-83 Указания Масло заливать через отверстие закрытое пробкой. Контроль количества масла производить по контрольному отверстию, закрытому пробкой. Смена 23 Пальцы штропа, манжеты сальника быстросъемного и нижние манжеты Смазка УСсА ГОСТ 27365-88 масла — через один год, пополнение его - по мере необходимости. Смазывать раз в месяц ручным насосом через масленки при замене манжетных уплотнений или грязевой трубы СИСТЕМЫ ВЕРХЕГО ПРИВОДА          Назначение Вращение бурильной колонны с регулированием частоты при бурении, проработке и расширении ствола скважины, при подъеме/спуске бурильной колонны. Торможение бурильной колонны и её удержание в заданном положении. Обеспечение проведения спускоподъемных операций в том числе: o наращивание/разборка бурильной колонны свечами и одиночными трубами; o свинчивание/развинчивание бурильных труб, докрепление/раскрепление резьбовых соединений переводников и шаровых кранов; o подача бурильных труб к стволу/удаление от ствола вертлюга. Проведение операций по спуску обсадных колонн в скважину. Промывка скважины и одновременное проворачивание бурильной колонны. Задание и обеспечение величин крутящего момента и частоты вращения, их измерение и вывод показаний на дисплей шкафа управления, выносной дисплей, пульт управления и на станцию геолого-технических исследований. Дистанционное управление. Герметизация внутритрубного пространства шаровыми кранами. Расхаживание бурильных колонн и промывку скважины при ликвидации аварий и осложнений. 1.1 Устройство системы верхнего привода Подвижная часть СВП (рисунок 1.2) состоит из вертлюга-редуктора 1, который на специальных штропах 2 подвешен на траверсе талевого блока 3. На верхней крышке вертлюга-редуктора установлен взрывозащищенный электродвигатель постоянного тока 4 в вертикальном фланцевом исполнении, с видом взрывозащиты «продувка под избыточным давлением». Причем забор и выброс продуваемого воздуха происходят из взрывобезопасной зоны. Один конец электродвигателя через эластичную муфту соединен с быстроходным валом двухступенчатого односкоростного редуктора. На другом конце вала установлен диско-колодочный тормоз 5. К корпусу вертлюга-редуктора крепится специальная рама 6, через которую блоком роликов 7 передается крутящий момент на направляющие 14 и с них 24 – на вышку. Между талевым блоком и вертлюгом редуктором установлена система разгрузки резьбы 8, обеспечивающая автоматический вывод резьбовой части ниппеля замка бурильной трубы из муфты при развинчивании и ход ниппеля при свинчивании замка. При этом исключается повреждение резьбы. Рисунок 1.1 - Схема верхнего привода: 1 – вертлюг-редуктор; 2 – штропы вертлюга-редуктора; 3 – талевая система; 4 – электродвигатель постоянного тока; 5 – диско-колодочный тормоз; 6 – рама с роликами (каретка); 7 – блок роликов; 8 – система разгрузки резьбы; 9 – трубный манипулятор; 10 – вертлюжная головка; 11 – штропы элеватора; 12 – гидроцилиндры отвода штропов элеватора; 13 – трубный зажим; 14 – направляющие мачты; 15 – гидроцилиндр управления трубным зажимом; 16 – гидродвигатель; 17 – траверса вертлюжной головки; 18 – элеватор; 19 – шаровой кран; 20 – ниппель; 21 – стопорное устройство; 28 – клиновой захват 25 11 1 2 10 9 3 8 4 5 7 6 Рисунок 1.2. – Верхний привод Bentec: 1 - система противовесов, 2- Sобразная труба; 3 – корпус двигателя; 4 – электросистема привода; 5 – верхний адаптер штропов; 6- трубный манипулятор; 7- направляющие рельсы; 8 – гидросистема; 9 – двигатели;10 – дисковые тормоза двигателя; 11 – система охлаждения штропов 1.2 Устройство узлов верхнего привода 26 Трубный манипулятор 9 (рисунок 1.3) состоит из вертлюжной головки 10, передающей гидравлическую жидкость с невращающегося корпуса на вращающуюся часть трубного манипулятора, двух штропов 11 под элеватор, подвешенных в проушинах траверсы вертлюжной головки, двух гидроцилиндров 12 системы отвода штропов, стопорного устройства 21 и трубного зажима 13. Трубный манипулятор под действием зубчатой пары с приводом от гидромотора 16 может разворачивать элеватор в нужную сторону: на мостки, на шурф для наращивания или в любую другую сторону, при необходимости. Трубный зажим служит для захвата и удержания от вращения верхней муфты трубы во время свинчивания (развинчивания) с ней ствола вертлюга. Между ниппелем и стволом вертлюга навернут ручной шаровой кран 19 для неоперативного перекрытия внутреннего отверстия ствола вертлюга. Для оперативного перекрытия отверстия ствола вертлюга перед отводом установлен внутренний превентор (механизированный двойной шаровой кран), который одновременно служит для удержания остатков промывочной жидкости после отвинчивания бурильной колонны. Рисунок 1.3 – Трубный манипулятор 1 – механизм наклона штроп; 2- встроенный противовыбросовый клапан ручного управления; 3 – узел предохранительного зажима крутящего момента; 4 – штропы элеватора; 5 – элеватор; 6 – исполнительный механизм дистанционно управляемого противовыбросового клапана; 7 – вращающийся адаптер штроп Вертлюжная головка служит для передачи рабочей жидкости с невращающейся частью системы верхнего привода на вращающуюся часть и позволяет не отсоединять гидравлические линии, когда трубный 27 манипулятор вращается с бурильной колонной при бурении, при проработке скважины или позиционировании механизма отклонения штропов. Невращающаяся часть вертлюжной головки представляет собой втулку, запрессованную в корпус вертлюга-редуктора, две полувтулки, опору и втулку. Вращающейся частью вертлюжной головки является траверса с подвешенными на ее боковых рогах штропами элеватора. Для фиксации трубного манипулятора в исходном положении при бурении, а при необходимости, и в других промежуточных положениях установлен стопорный механизм 13 с приводом от гидроцилиндра. Система отклонения штропов (1.4) предназначена для отвода и подвода элеватора к центру скважины. Система отклонения штропов представляет собой штропы, подвешенные на боковых рогах траверсы. К штропам с помощью полухомутов на шарнирном подшипнике крепятся гидроцилиндры отклонения штропов. Верхней частью штоковые концы гидроцилиндров шарнирно соединены с кронштейнами, которые посредством болтовых соединений жестко закреплены к стенке траверсы. Рисунок 1.4 – Система отклонения штропов 1 – палец; 2 – защелка; 3 – штроп; 4 – элеватор; 5 - зажим; 6 – узел кривошипа наклона штропов Трубный зажим обеспечивает удержание верхней муфты бурильной колонны при раскреплении (докреплении) замкового соединения. Он состоит из гидроцилиндра, челюсти-захвата, тяги, рамки, ствола, центратора. Трубный зажим нужен для захвата и удержания от вращения верхней муфты трубы во время свинчивания/развинчивания с ней ствола вертлюга. Между ниппелем и стволом вертлюга навернут ручной шаровой кран для 28 неоперативного перекрытия внутреннего отверстия ствола вертлюга. Для оперативного перекрытия отверстия ствола вертлюга перед отводом установлен внутренний превентор (двойной шаровой кран), который также служит для удержания остатков промывочной жидкости после отвинчивания бурильной колонны.. Верхний привод перемещается вертикально по направляющему рельсу на каретке (рисунок 1.5), крепящейся к основному корпусу. Направляющий рельс с узлами крепления предназначен для обеспечения направленного перемещения вертлюга, восприятия реактивного момента с силовых элементов исполнительных механизмов и передачу его на металлоконструкцию вышки. Направляющий рельс – сборно-разборная конструкция, состоящая из девяти частей, последовательно соединенных между собой. Длина направляющей рельсы отличается в зависимости от проекта привязки к буровой установке. Каждая секция представляет собой металлоконструкцию замкнутого квадратного профиля размером 300х300 с фланцами по торцам. Каждая секция имеет гребень с отверстиями, к которому крепиться подвес, обеспечивающий проведение погрузочно-разгрузочных работ, а также работ по стыковке, сборке и монтажу направляющей секцикй к мачте буровой установки. Встроенный противовыбросовый клапан управления (рисунок 1.6), расположенный в трубном манипуляторе, является предохранительной шаровой задвижкой внутреннего открытия. Нижний второй клапан ручного управления используют при контроле скважины. Верхний встроенный противовыбросовый клапан дистанционного управления открывается и закрывается при работе хомута и гидравлического цилиндра, управляемых с панели бурильщика при помощи электромагнитного клапана. Кожух вращается одновременно с корпусом клапана и поднимается вверх и вниз, приводя в действие небольшие рычаги, расположенные с каждой стороны штока клапана. Цилиндр через невращающееся приводное кольцо инициирует вращение кожуха. Гидравлический цилиндр крепится к раме гашения крутящего момента. Опциональный нижний клапан является задвижкой аналогичного типа, за исключением того, что он должен открываться и закрываться вручную, при помощи ключа. 29 Рисунок 1.5 – Каретка и направляющий рельс Оба клапана могут быть в любой момент задействованы при присоединении верхнего привода к бурильной свече. Нижний клапан быть отделен от верхнего клапана с помощью буровых ключей, после отвода рамы гашения крутящего момента. После отделения нижнего клапана становится возможным отвода всей системы верхнего привода, что обеспечит достаточно пространства для монтажа переходников и задвижек, необходимых для осуществления действия по контролю скважины. После отделения при помощи обычных буровых ключей нижнего клапана от верхнего на верхнем приводе, нижний клапан остается подсоединенным к бурильной свече с целью контроля скважины. В комплект поставки входит переходник- крестовина, обеспечивающий подсоединение свечи к нижнему клапану. 30 Рисунок 1.6 – Встроенные противовыбросовые клапаны Верхний встроенный противовыбросовый клапан дистанционного управления открывается и закрывается управлением с панели бурильщика с помощью двухпозиционного переключателя. При переключении гидроцилиндр, с помощью невращающегося рычажного механизма, прикрепленного к раме гашения крутящего момента, выдвигает корпус приводного устройства вверх и вниз. Этот рычажный механизм приводит в действие небольшие кривошип, расположенный с обеих сторон штока клапана, который открывает и закрывает верхний встроенный 31 противовыбросовый клапан. Оба клапана могут быть отсоединены и спущены в скважину 2 ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА Последовательность выполнения операций использованием СВП приведена на рисунке 2.1. наращивания с Исходное положение механизмов системы верхнего привода: 1) гидростанция отключена; 2) вертлюжная головка застопорена стопорным устройством; 3) штропы элеватора отведены в 1-е положение "Назад" посредством цилиндров; 4) шаровые краны открыты; 5) тормоз основного двигателя расторможен; 6) система разгрузки резьбы находится под давлением пневмогидроаккумулятора; 7) трубный зажим разжат. Процесс бурения. При бурении для вращения бурильной колонны используется основной электродвигатель силового вертлюга. После проверки исходного положения всех механизмов выполняются следующие операции: 1) включается насос маслосмазки вертлюга-редуктора; 2) включается вентилятор двигателя силового вертлюга; 3) восстанавливается циркуляция бурового раствора; 4) включается двигатель силового вертлюга; 5) включается подача инструмента и начинается бурение. При бурении забойным двигателем, кроме перечисленного, для восприятия реактивного момента от турбобура необходимо наложить колодки гидравлического тормоза диск вала и удерживать их в таком положении до окончания бурения. Бурение продолжается до касания воронкой трубного зажима стола ротора или ключа бурильщика. Процесс наращивания бурильной колонны свечой .Для наращивания бурильной колонны свечой необходимо выполнить следующие операции (последовательности соответствует рисунок 2.1, a): 1 Не отсоединяя от ствола СВП, приподнять бурильную колонну на высоту разъема, посадить ее на клинья ПКР; прекратить подачу бурового раствора в скважину; закрыть оперативный шаровой кран; произвести трубным зажимом зажим муфты бурильной колонны; передать вращение от электродвигателя на шпиндель и отсоединить ствол СВП от бурильной колонны; разжать трубный зажим. 2 Начать подъем СВП с одновременным отводом штропов элеватора из первого положения; верхний конец наращиваемой свечи вывести из-за пальца верхней секции магазина; прекратить подъем талевого блока; завести верхний конец свечи в элеватор, закрыть створку. 32 Рисунок 2.3 - Процесс наращивания бурильной колонны с применением силового верхнего привода: а - свечой из магазина, б однотрубками из шурфа: 22 – ключ; 23 – стеллаж; 24 – свеча; 25 – бурильная труба (однотрубка); 26 – шурф 3 Поднять свечу на необходимую высоту, нижний конец установить в муфту бурильной колонны; произвести свинчивание и докрепление муфты бурильной колонны с ниппелем свечи ключом бурильщика или машинным ключом. 4 СВП приспустить вниз до попадания верхней муфты свечи в направляющую воронку трубного зажима и вхождения резьбовой части ствола вертлюга в резьбовую часть муфты до упора; произвести захват трубным зажимом муфты свечи; включить электродвигатель и произвести свинчивание и докрепление ствола вертлюга-редуктора с бурильной колонной. 5 Разжать трубный зажим; открыть клапан и подать промывочную жидкость; начать бурение. 33 Процесс наращивания бурильной колонны однотрубкой (смотреть рисунок 2.1, б). Для наращивания бурильной колонны однотрубкой необходимо выполнить следующие операции: приподнять бурильную колонну на высоту разъема, не отсоединяя ее от ствола СВП; посадить бурильную колонну на клинья ПКР; прекратить подачу бурового раствора в скважину; закрыть оперативный шаровой кран, зажать муфту бурильной колонны; отсоединить ствол СВП от бурильной колонны, включив электродвигатель силового вертлюга на вращение, раскрепив и отвинтив замковую резьбу. Начать подъем талевого блока с одновременным отводом штропов элеватора из первого положения; прекратить подъем талевого блока; открыть стопор, включить гидромотор для вращения траверсы трубного манипулятора так, чтобы открытая створка элеватора была направлена на однотрубку, в зависимости от ее местонахождения: или в шурфе для наращивания, или на мостках; установить однотрубку в элеватор и закрыть створку; завести верхний конец свечи в элеватор, закрыть створку. Поднять талевый блок и вывести однотрубку на центр скважины; приспустить ее и установить нижний конец однотрубки в муфту бурильной колонны; провести операции по свинчиванию однотрубки с колонной и свинчивание ствола вертлюга-редуктора с однотрубкой, т.е. выполнить последовательность операций по режиму; свечу поднять на необходимую высоту, нижний конец установить в муфту бурильной колонны; произвести свинчивание и докрепление муфты бурильной колонны с ниппелем свечи ключом КБГ-2 или машинным ключом. СВП приспустить вниз до попадания верхней муфты свечи в направляющую воронку трубного зажима и вхождения резьбовой части ствола вертлюга в резьбовую часть муфты до упора; захватить трубным зажимом муфту свечи; включить электродвигатель и произвести свинчивание и докрепление ствола вертлюга-редуктора с бурильной колонной. Разжать трубный зажим; открыть клапан и подать промывочную жидкость; начать бурение. Подъем бурильной колонны. Подъем бурильной колонны СВП практически ничем не отличается от подъема бурильной колонны крюкоблоком с ручным элеватором. При необходимости колонна может проворачиваться. Для этого необходимо соединить ствол вертлюга с бурильной колонной. Преимуществом подъема бурильной колонны СВП является возможность подачи элеватора системой отклонения штропов непосредственно к "верховому" рабочему. Кроме того, наличие в СВП системы разгрузки резьбы предотвращает повышенный износ резьбы. Спуск бурильной колонны в осложненной скважине. Спуск бурильной колонны в осложненной скважине или в ее горизонтальной части в основном аналогичен наращиванию бурильной колонны свечой при бурении. 34 Процесс ликвидации аварий (прихватов). При ликвидации прихватов на двигателе силового вертлюга устанавливается максимальный момент Мmах=2МН. При достижении двигателем максимального момента накладывается тормоз. После этого начинается расхаживание бурильной колонны в скважине. Спуск обсадной колонны с циркуляцией промывочной жидкости и вращением. Иногда возникает необходимость провести спуск обсадной колонны с циркуляцией бурового раствора и вращением ее. Для этого необходим переводник с замковой резьбы 3-171 на резьбу обсадной колонны. Например, переводник с замковой резьбы на резьбу обсадной трубы ПЗ171/168...426 (отраслевая нормаль Н-545-58), но с более удлиненной верхней частью для того, чтобы трубный зажим смог ее зажать. Затем соединить ствол вертлюга с переходником. 3 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ВЕРХНИХ ПРИВОДОВ Основными производителями систем верхнего привода являются следующие компании: Bentec; Varco; Drillmec; TESCO; ПромТехИнвест; Уралмаш; ВЗБТ, технические характеристики которых приведены в таблицах 3.1-3.5. Таблица 1.1 Техническая характеристика СВП производства Bentec Характеристика Значения Наименование TD-500-HT Тип ВСП Грузоподъемность, т 500 Привод Электрический Максимальный крутящий момент (кг*м) 71500 Максимальная скорость (частота) об/мин 230 Масса изделия общая, кг 16200 Таблица 3.2 Техническая характеристика СВП производства Varco Характеристика Значение 1. Наименование PS – 500A HPS - 500 TD – 250PAC 2. Тип ВСП ВСП ВСП 3. Грузоподъемность 551 551 270 4. Привод Электрический Электрический Электрический 5. выходная мощность 917 (1230) 858 (1150) 373 (500) привода Таблица 1.3 Техническая характеристика СВП производства Drillmec Характеристика Значения 35 Наименование Тип Грузоподъемность Привод Максимальный крутящий момент Максимальная скорость (частота) Выходная мощность привода HTD -100 ВСП 100 Гидравлический 35300 (3599) HTD - 300 ВСП 300 Гидравлический 49000(4997) 20,9 (200) 20,9 (200) 410 (550) 410 (550) Таблица 1.4 Техническая характеристика СВП производства TESCO Значение Характеристика 1. Наименование HMI 475 EMI 400 2. Тип ВСП ВСП 3. Грузоподъемность, 250 250 не менее, тонна 4. Привод Гидравлически Электрически й й 5. Максимальный крутящий момент, 28470 (2903) 28470 (2903) Нм (кг*м) 6. Максимальная 17,8 (170) 20,9 (200) скорость (частота) ECI 900 ВСП 250 Электрически й 49760 (5074) 20,2 (193) Таблица 1.5 Технические характеристики СВП производства « Уралмаш-Буровое оборудование»; «ВЗБТ»; « ПромТехИнвест» Характеристика УралмашБуровое ВЗБТ ПромТехИнвест оборудование ИВПЭНаименование СВП-500 ПВЭГ-225 250 Тип ВСП ВСП ВСП Грузоподъемност ь, не менее, 551 276 248 короткая тонна Грузоподъемност 500 250 225 ь, не менее, т Гидравлическ Электрическ Гидравлически Привод ий ий й 36 Максимальный крутящий момент, 62000 (6300) Нм (кг*м) 54000 (5500) 48100 (4900) 4 ОБСУЖИВАНИЕ СИСТЕМ ВЕРХНИХ ПРИВОДОВ Для поддержания работоспособности изделия и обеспечение его максимального срока службы установлены следующие виды технического обслуживания (ТО) изделия и его составных частей: - ежесменное (ТО «Смена») – обязательное; - техническое обслуживание после обкатки (ТО «50») – рекомендуемое; - через 1000 операционных часов ( ТО «1000») – обязательное; - два раза в год при подготовке к зимнему и летнему сезонам (ТО «Сезон») – обязательное. Работы по ТО «Смена» проводит персонал, заступающий на смену. Перед началом обслуживающий персонал должен быть проинструктирован о порядке выполнения работ, о результатах ранее проведенных ТО и мерах безопасности. При проведении работ должны быть приняты меры, исключающие возможность повреждения оборудования. После окончания работ с места их проведения должны быть удалены: инструмент, приспособления, замененные детали и узлы и расходованные материалы. Ежесменное обслуживание заключается во внешнем осмотре частей изделия, включая следующие обязательные проверки: 1. Контроль уровня масла в корпусе вертлюга по указателю уровня. Уровень масла, в остановленном (неработающем) приводе, должен находиться между рисками «Н» и «О» на указателе уровня. В случае недостаточного количества масла в корпусе вертлюга процедура залива масла выполняется с обязательным открытием контрольного отверстия в момент заливки. При работе верхнего привода допускается незначительное подтекание масла через нижнюю манжету в корпусе вертлюга по валу вертлюга в объеме не более 200мл. за смену. В случае значительного подтекания масла (более 3л. За смену) необходимо заменить манжету уплотнительного узла. 2. Проверка достаточности смазки в полости верхнего радиально-упорного конического роликового подшипника, при необходимости пополнить. 3. Проверка достаточности смазки в полости радиального роликового сферического двухрядного подшипника, при необходимости пополнить. 4. Проверка достаточности смазки в осях крепления ограждения привода, при необходимости пополнить. 5. Проверка достаточности смазки в полости корпуса верхнего привода, при необходимости пополнить. 37 6. Проверка достаточности смазки в полости адаптера верхнего привода, при необходимости пополнить. 7. Проверка достаточности смазки в полости опорноповоротного устройства, при необходимости пополнить. 8. Проверка достаточности смазки в осях штропов, при необходимости пополнить. 9. Проверка достаточности смазки в осях балки параллелограммного механизма, при необходимости пополнить. 10. Проверка достаточности смазки в осях гидроцилиндров отклонения вертлюга, при необходимости пополнить. 11. Проверка достаточности смазки в осях механизма заштыривания, при необходимости пополнить. 12. Проверка достаточности смазки в полостях между накладками ползуна и рабочими поверхностями направляющей, при необходимости пополнить 13. Проверка зазора между торцевыми поверхностями адаптера и муфты грузовой, при необходимости, отрегулировать поджатием пружин. 14. Проверка состояния замковой резьбы 3-133 на предохранительном переводнике. 15. Проверка уровня гидравлической жидкости в гидробаке, при необходимости – долить гидрожидкость. 16. Проверка фильтров (всасывающего, сливного, высокого давлении). При показаниях индикатора о загрязнении фильтра необходимо произвести замену фильтроэлемента. 17. Проверка гидромагистралей: не должно быть повреждений магистралей, внешних утечек гидрожидкости через уплотнения и соединения. При необходимости заменить уплотнения, подтянуть резьбовые соединения. 18. Проверка электрооборудования двигателей. 19. Проверка гидромоторов, гидротормоза, гидроцилиндров, гидромагистралей ПВЭГ: не должно быть внешних утечек гидрожидкости через уплотнения и соединения. При необходимости, заменить уплотнения, подтянуть соединения. 20. Проверка состояния внешних электро- и гиромагистралей между приводом и электродвигателями, состояние электрокабеля между ЭГА и внешним источником питания. ТО «50» является разовым видом ТО, проводимым в начальный период эксплуатации данного изделия. В дополнении к объему обязательных работ, предусмотренных порядком технического обслуживания, при проведении ТО «50» должны быть проанализированы выявленные за этот период замечания и неисправности, определены пути (способы) устранения причин их возникновения. Работы по ТО «50» являются рекомендуемыми и проводятся однократно после первых 50 часов работы оборудования (обкатки) с целью 38 увеличения срока службы оборудования. ТО «50» включает в себя следующие работы: 1. Полный объем работ по ТО «Смена». 2. Замена фильтрующих элементов. Работа по ТО «1000» в отношении изделия заключается в следующем: 1. Полный перечень работ по ежесменному обслуживанию» 2. Смазка ВСП-225 в соответствии с картой смазки. 3. Смазка электрогидроагрегата в соответствии с картой смазки. 4. Проверка работы манометров. 5. Проверка настройки регулирующей аппаратуры (предохранительных, редукционных) клапанов. Проверка надежности контровки регулировочных винтов. 6. Проверка работоспособности системы освещения. 4.1 Смазка элементов СВП Буровые СВП также работают при различных температурных условиях. Вязкость масла может различаться от густой при запуске системы в условиях холодных температур до очень слабой в условиях жаркого климата, при трудных условиях бурения. При выборе смазочного материала необходимо основываться на минимальной температурой окружающей среды, которая может держаться до следующей смены масла. Использование масла с вязкостью выше рекомендуемой для данной температуры может повредить коробку передач вследствие уменьшения потока масла, или повредить масляный насос под воздействием чрезмерной нагрузки. Таблица 4.1 Режим смазки Узел Фитинги Тип смазки Периодичность 1 2 3 4 Грязевая труба 1 Масловпрыскиватели верхнего масляного уплотнения корпуса Рычаг и штифты исполнительного механизма противовыбросового клапана Кривошипы исполнительного механизма предохранительного 2 2 Смазка общего назначения Смазка общего назначения Ежедневно Смазка общего назначения Ежедневно Смазка общего назначения Ежедневно 39 Ежедневно клапана Вкладыш стабилизатора Масловпрыскиватели вращающегося адаптера штроп Дверцы цилиндра зажима Трубки гасителя крутящего момента – на участке цилиндра зажима –на участке дверцы цилиндра зажима Механизм наклона штропа Суппорт элеватора Направляющая главного вкладыша 3 2 4 Смазка общего назначения Смазка общего назначения Ежедневно Смазка общего назначения Еженедельно Смазка общего назначения Смазка общего назначения Смазка общего назначения Смазка общего назначения Смазка общего назначения Еженедельно 40 Еженедельно Еженедельно Еженедельно Еженедельно Еженедельно Продолжение таблицы 4.1 Переходник талевого каната Подшипники 2 бурового двигателя Двигатель вентилятора 2 Двигатель гидравлического насоса Замена масла 2 Смазка общего назначения Chevron Black Pearl EP2 Chevron Black Pearl EP2 Chevron Black Pearl EP2 Редукторное масло Замена масляного фильтра Еженедельно Раз в три месяца Раз в три месяца Раз в три месяца Раз в три месяца Раз в три месяца 4.2 Монтаж СВП Для монтажа системы на существующие буровые установки необходимы изменения в электрической, кинематической схемах, а также в конструкции. В зависимости от конкретных характеристик установки, возможные модификации могут включать в себя:  Увеличение длины стояка  Замена бурового шланга  Монтаж генератора электропривода переменного тока (нового или модифицированного)  Устройство крепления направляющего рельса  Устройство проушины на кронблоке для направляющего рельса  Устройство присоединительной проушина для установочного гнезда для сервисного контура / кабельных жгутов.  Изменение расположения трубных ключей, вращателей бурильной колонны, разъемного кожуха и пусковых линий.  Изменение зазора между направляющим рельсом и поясами вышки / ходовой струной талевого каната  Изменение расположения стойки для направления обсадной трубы Все вышеизложенные модификации могут не потребоваться, но все должно быть принято во внимание, в том числе общее расположение рабочей площадки буровой установки, для того, чтобы обеспечить правильный монтаж, продуктивное использование времени эксплуатации, и получение точной информации об издержках производства. 41 Для обеспечения нормальной работы верхнего привода необходимо принять во внимание множество факторов; одним из важных вопросов является высота мачты / вышки. Рабочая высота и зазор между кронблоком и крюкоблоком являются двумя основным факторами, которые следует принять во внимание перед составлением заказа и монтажом. Рабочая высота и зазор между кронблоком и крюкоблоком могут изменяться в зависимости от выбора крюка, блока, серьги, штропов элеватора, муфты. Другим важным вопросом для выбора и безотказной работы является размещение верхнего привода внутри вышки / мачты. Принимая во внимание конкретные размеры внутри опор мачты / вышки, верхний привод и его направляющая система должны полностью занимать рабочую высоту. СВП поставляются на транспортировочных салазках с подсоединенным трубным манипулятором. На салазках верхний привод прикреплен к верхней секции направляющего рельса. СВП и салазки перемещаются на рабочую площадку с помощью крана или крюкоблока. Как только направляющий рельс будет закреплен сверху, нижний конец направляющего рельса прикрепляется к распределительной балке и к мачте / вышке. Правильное крепление крайне важно для передачи крутящего момента от системы на конструкцию буровой установки. 42