СКЛАДНАЯ МОДУЛЬНАЯ МАЧТА С ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМОЙ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА
COLLAPSIBLE MODULAR MAST WITH INBUILT SYSTEM OF UPPER DRIVE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству мачт буровых установок для строительства нефтяных и газовых скважин.
Мачта, являясь одним из наиболее ответственных компонентов грузоподъемной системы буровой установки, требует постоянного совершенствования показателей назначения как в плане обеспечения несущей способности, так и снижения временных и материальных затрат на монтаж, демонтаж и транспортировку на новую точку бурения. Одним из наиболее эффективных способов повышения потребительских свойств мачты является создание конструктивных компонентов в виде транспортно-монтажных модулей с встроенной инфраструктурой навесного оборудования и коммуникаций. Монтажные и демонтажные работы должны состоять только в стыковке и разборке быстроразъемных соединений модулей, удовлетворяющих конкретным ограничениям трассы для перевозки и требованиям в отношении габаритов и грузоподъемности транспортных средств.
Известна конструкция мачты с интегрированной системой верхнего привода (далее СВП), а.с. США 6860337 В1 "Integrated mast and top drive for drilling rig", состоящая из прямостоящей мачты с открытой передней гранью и встроенной СВП, у которой направляющие закреплены к колоннам открытой грани.
Известная мачта, принятая в качестве прототипа, имеет следующие недостатки:
- мачта состоит из двух модулей повышенной длины и массы, требующих применения специальных тележек или длинномерных платформ большой грузоподъемности для перевозки по автодорогам;
- колонны открытой передней грани под нагрузкой подвержены значительным перемещениям в горизонтальной плоскости (сужению, преимущественно в зоне установки подкосов), что обуславливает необходимость установки компенсаторов в конструкцию кареток СВП или увеличения жесткости компонентов мачты и, соответственно, массы мачты в целом;
- опоры мачты, включая опоры раздвижных подкосов, расположены на относительно небольшом удалении от оси скважины и, с учетом размещения устройств и механизмов в зоне стола ротора, создают неудобства для работы буровой бригады;
- опорная база мачты значительно меньше, чем у мачт с открытой передней гранью традиционного исполнения, что усиливает влияние ветрового воздействия, расположения лебедки и места закрепления неподвижного конца каната талевой системы на снижение несущей способности мачты;
- конструктивное исполнение мачты ориентировано на механизм подъема с применением гидроцилиндров, модификация мачты на применение других систем подъема, например с помощью канатной системы, не предусмотрена;
- размещение направляющих на колоннах открытой грани мачты требует специального исполнения корпуса СВП, что исключает возможность адаптации к мачте других исполнений СВП с подвесными направляющими.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы исключить перечисленные выше недостатки.
Поставленная задача решается за счет изменения конструкции мачты, обеспечивающей:
- двухуровневую систему транспортно-монтажных модулей, т.е. крупные модули состоят из мелких модулей, которые по габаритам и массе адаптированы для перевозки автотранспортом общего назначения;
- увеличение опорной базы мачты до уровня соизмеримого с базой мачт традиционного исполнения;
- складирование (в транспортный габарит) и раздвижение (в рабочий габарит) нижнего модуля без демонтажа и монтажа входящих в него компонентов за счет встроенного эксцентрикового механизма, приводимого в действие гидроцилиндром;
- применение в качестве направляющих СВП двутавровых балок со стандартным профилем;
- повышение жесткости направляющей СВП за счет закрепления к задней грани мачты и создание условий для передачи через направляющую части силового потока от рамы кронблока к опорам мачты;
- модификацию мачты базового исполнения для подъема гидроцилиндрами за счет трансформации устройства подъема мачты, ориентированную на канатную систему подъема, в составную часть нижнего модуля в качестве подкосов без изменения остальных компонентов, включая и механизм складирования мачты;
- возможность привязки к мачте всех известных модификаций СВП за счет подгонки соединительных элементов между корпусом СВП и кареткой, встроенной в направляющую мачты;
- возможность использования мачты без СВП, при условии подвески крюко-блока на траверсу талевого блока вместо СВП с кареткой.
Новая мачта состоит из двух модулей первого уровня: верхний модуль (ВМ), нижний модуль (НМ), блока устройства подъема мачты (УПМ) и блока платформы верхового рабочего (БПВР). УПМ и БПВР являются съемными компонентами мачты, в которых предусмотрена разборка на узлы, удовлетворяющих требованиям перевозки по автодорогам. Каждый из модулей первого уровня ВМ и НМ состоит из модулей второго уровня (блоков) с встроенной инфраструктурой навесного оборудования.
Все перечисленные модули, включая УПМ и БПВР, стыкуются с помощью пальцевых соединений и быстроразъемных соединений навесного оборудования и коммуникаций. Модули второго уровня включают встроенные секции направляющей для СВП и талевого блока. Секции направляющей представляют собой колонны из двутавровых балок. В двух верхних блоках направляющие жестко закреплены к поясам задней грани. В двух нижних блоках направляющие снабжены шарнирными элементами подвески к несущему каркасу мачты. Принятая система закрепления направляющей обеспечивает многофункциональное использование ее несущей способности, т.е. наряду с восприятием реактивного крутящего момента при работе СВП и изгиба от смещения центра масс подвижных частей талевой системы относительно направляющей, секции направляющей передают также часть силового потока от нагрузки на кронблок к опорам мачты.
ВМ состоит из двух блоков и имеет габариты удовлетворяющего требованиям транспортировки по автодорогам без специального разрешения и сопровождения. Секции несущего каркаса каждого из блоков имеют пальцевое соединение и, при необходимости, модуль первого уровня может демонтироваться на два транспортных блока второго уровня, длина которых составляет, примерно, половину длины модуля первого уровня. Первый (верхний) блок включает кронблок с установленными шкивами талевой системы, второй (нижний блок) служит контейнером для СВП и талевого блока в сборе с каретками. Фиксация этих узлов на период транспортировки достигается за счет проушин на направляющих и каретках, в которые вставляются пальцы. ВМ одновременно служит контейнером для размещения шлейфа с электрическим кабелем и гидравлическими рукавами без отсоединения от СВП. При транспортировке мелкими блоками закрепление СВП и талевого блока остается без изменения, т.е. функцию контейнера будет выполнять только второй блок.
НМ состоит из двух блоков, сборка которых произведена с помощью быстроразъемного пальцевого соединения. В рабочем положении модуль имеет пирамидальную форму с расширенной базой опор на раме буровой площадки. Для перевозки по автодорогам модуль снабжен механизмом складирования в транспортное положение. Механизм складирования и раздвижения (в рабочее положение) состоит из системы пассивных эксцентриков с ползунами (три уровня) и одного активного эксцентрика с ползуном, который перемещается гидроцилиндром вдоль направляющей СВП. Компоненты механизма складирования размещены как в первом, так и втором блоков НМ.
Первый (верхний) блок НМ содержит «П»-образную ферму с проушинами для шарнирного закрепления симметрично расположенных компонентов несущего каркаса и секцию направляющей СВП, которая состоит из параллельно расположенных двутавровых балок, связанных между собой поперечными балками. Верхний край первой секции направляющей жестко закреплен к ферме, а нижний край подвешен к боковым поясам несущего каркаса через верхние пассивные эксцентрики.
Второй блок НМ содержит симметрично расположенный несущий каркас с проушинами для закрепления к опорам на буровой площадке. Секция направляющей СВП второго блока НМ с поперечными балками подвешена к несущему каркасу на пассивных эксцентриках (два средних уровня) и активных эксцентриках (одного нижнего уровня), выполняющего также функцию балки гашения реактивного момента при работе СВП.
Переход НМ из рабочего в транспортное положение и обратно обеспечивается за счет геометрических параметров эксцентриков «Z»-образной формы и исходного угла наклона относительно оси направляющей линии, соединяющей центр шарнира эксцентрика с центром вращения зеркально расположенных компонентов каркаса. В рабочем положении эксцентрики расположены горизонтально и зафиксированы от перемещения установкой двух осей с каждой из сторон эксцентрика. В этом положении совместно с ползунами и поперечными балками на направляющей СВП они выполняют функцию жестко закрепленных поясов НМ. При извлечении нижних пальцев с каждой из сторон эксцентриков и боковых пальцев на ферме сборка несущих каркасов становится свободной для вращения относительно цилиндрических шарниров, расположенных на «П»-образной ферме. Разворот сборки несущих каркас в сторону сужения и их раздвижение осуществляются за счет перемещения гидроцилиндром ползуна активного эксцентрика. Усилие гидроцилиндра должно обеспечивать преодоление сил трения в шарнирах, ползунах и иных узлах, участвующих в складировании и раздвижении НМ при горизонтальном расположении мачты.
Для разборки НМ на два транспортных блока второго уровня достаточно демонтировать пальцы на стыке секций несущих каркасов (4 пальца) и два пальца на стыке направляющей СВП. Для фиксации компонентов механизма складирования от перемещения при транспортировке на ползунах и на направляющей СВП имеются проушины, в которые (при совпадении в сложенном состоянии) вставляются пальцы. Установка пальцев должна производиться до разборки НМ на блоки второго уровня.
УПМ состоит из пространственной фермы, двух подкосов с шарнирным закреплением к ферме, двух колонн с фланцевым закреплением к ферме и двух шарнирно закрепленных стяжек между подкосами и колоннами. Все перечисленные компоненты являются транспортно-монтажными единицами. Конструкция фермы обладает повышенной жесткостью в двух плоскостях за счет двух поперечных труб в горизонтальной плоскости и боковой фермы, образованной поперечной двутавровой балкой с трубной решеткой. Применительно к варианту подъема мачты гидроцилиндрами УПМ может трансформироваться в складной подкос мачты. Из компонентов УПМ сохраняются только подкосы, которые встраиваются в НМ. Шарнирное соединение модифицированных подкосов к каркасу НМ позволяет производить их укладку без нарушения требований к габаритам для перевозки по автодорогам.
Достаточным условием для проведения операции складирования (раздвижения) является размещение нижней части НМ на грани металлической балки соответствующей длины и отсутствии предметов, препятствующих скольжению каркаса мачты по грани балки.
Для проведения операций монтажа и транспортировки мачты модулями первого уровня предусмотрен вариант применения специальных тележек, оснащенных раздвижной (телескопической) балкой с механизмов подъема с помощью гидроцилиндра для позиционирования мачты в процессе установки на основание буровой установки. При работе механизма складирования раздвижная балка обеспечивает свободный разворот каркаса НМ относительно шарниров на «П»-образной ферме, монтажного крана
На фиг.1 представлен в двух проекциях общий вид мачты с основными сборочными компонентами.
На фиг.2 представлен в двух проекциях верхний модуль мачты (ВМ) с встроенной системой верхнего привода (СВП).
На фиг.3 представлен в двух проекциях нижний модуль мачты (НМ) в рабочем положении с встроенной системой складирования в транспортное положение.
На фиг.4 представлен в двух проекциях нижний модуль мачты (НМ) в сложенном (транспортном) положении.
На фиг.5 представлен в двух проекциях верхний блок ВМ (первый блок мачты).
На рис.6 представлен в двух проекциях нижний блок ВМ (второй блок мачты).
На фиг.7 представлен в двух проекциях верхний блок НМ в сложенном (транспортном) положении (третий блок мачты).
На фиг.8 представлена в двух проекциях промежуточная секция верхнего блока НМ (третьего блока мачты).
На фиг.9 представлен в двух проекциях ползун верхнего блока НМ (третьего блока мачты).
На фиг.10 представлен в двух проекциях «Z»-образный эксцентрик верхнего блока НМ (третьего блока мачты).
На фиг.11 представлен в двух проекциях нижний блок НМ в сложенном (транспортном) положении (четвертый блок мачты).
На фиг.12 представлены узлы механизма складирования верхнего блока НМ в рабочем положении.
На фиг.13 представлены узлы механизма складирования верхнего блока НМ в сложенном (транспортном) положении.
На фиг.14 представлено в двух проекциях устройство подъема мачты (УПМ).
На фиг.15 представлен в двух проекциях верхний блок ВМ в транспортном положении на платформе грузового автомобиля.
На фиг.16 представлен в двух проекциях нижний блок ВМ в транспортном положении на платформе грузового автомобиля.
На фиг.17 представлен в двух проекциях верхний блок НМ в транспортном положении на платформе грузового автомобиля.
На фиг.18 представлен в двух проекциях нижний блок НМ в транспортном положении на платформе грузового автомобиля.
На фиг.19 представлен в двух проекциях ВМ при транспортировке тягачом на специальной транспортной тележке.
На фиг.20 представлен в двух проекциях НМ при транспортировке тягачом на специальной транспортной тележке.
На фиг.21 представлен этап установки ВМ и НМ (модулей первого уровня) мачты на основание буровой установки с использованием специальных транспортных тележек.
На фиг.22 представлен этап оснащения мачты канатами системы подъема, установки монтажной стойки и подвески платформы верхового рабочего.
Представленное описание конструкции мачты не следует рассматривать как ограничение в использовании потенциальных возможностей изобретения. Возможны другие варианты комплектации и модификации компонентов сборки, в которых могут быть использованы изложенные принципы построения кинематики складирования мачты. Ниже представлен один из возможных вариантов реализации изобретения.
Общий вид мачты на фиг.1 включает ВМ 1, НМ 2, УПМ 4, платформу верхового рабочего 6, пальцы 3 для соединения ВМ и НМ, пальцы 5 для соединения мачты с УПМ, опоры мачты и УПМ 7,8. Перечисленные базовые компоненты обеспечивают выполнение рабочих функций мачты в составе подъемной системы буровой установки. УПМ 4, наряду с выполнением операций по подъему мачты, выполняет функцию подкоса после подъема мачты в вертикальное положение.
ВМ 1 мачты на фиг.2 включает два модуля второго уровня (транспортно-монтажных блока) 9 и 10. Верхний и нижний блоки соединены между собой пальцами 11.
Верхний блок ВМ 9 состоит из несущего каркаса 16 и сборки кронблока на раме 17, которая соединена с несущим каркасом с помощью пальцев 18. К задней грани каркаса 16 жестко закреплена секция направляющей СВП 19. В общем случае секция направляющей представляет собой две параллельные колонны двутаврового сечения, закрепляемых определенным способом к несущему каркасу мачты.
Нижний блок ВМ 10 состоит из несущего каркаса 20 с встроенной секцией направляющей СВП 21, талевого блока 22, подвижной части СВП 24, каретки талевого блока 23 и каретки СВП 25. Каретки 23 и 25 снабжены роликами на подшипниках качения, которые перемещаются по внутренним поверхностям полок и стенок двутаврового профиля направляющей СВП. Рамы кареток 23 и 25 снабжены узлами для закрепления талевого блока и корпуса СВП. Эти узлы могут иметь различное исполнение применительно к особенностям конструкции СВП 24 и талевого блока 22. Подвижная часть СВП 24 подвешена к траверсе талевого блока 22, что делает эту сборку моноблочной подвижной частью талевой системы. На стропах СВП 24 подвешен элеватор 26 для работы с бурильным инструментом или специальной подвеской, используемой, в частности, в канатной оснастке для подъема мачты. На направляющей СВП 21 размещены проушины для закрепления кареток 23 и 25 при транспортировке ВМ без разборки или модулями (блоками) второго уровня.
НМ 2 мачты на фиг.3 включает два модуля второго уровня (транспортно-монтажных блока) 12 и 13. Верхний и нижний блоки соединены между собой пальцами 14 и пальцами 15 на стыке направляющих СВП. На фиг.4 представлен НМ 2 в сложенном (транспортном) положении.
Верхний блок НМ 12 на фиг.7 состоит из промежуточной секции 27, несущего каркаса 28, ползуна 30, эксцентриков 31 и пальцев 29, которые соединяют промежуточную секцию 27 с несущим каркасом 28. Промежуточная секция 27 на фиг.8 состоит из «П»-образной фермы 32, к которой жестко закреплена секция направляющей СВП 33. Колонны направляющей соединены между собой поперечными балками 36 и балкой с проушинами 34. На нижней полке колонн размещены направляющая ползуна с проушиной 35 и проушины 37 в месте стыковки секций направляющих в верхнем и нижнем блоке НМ.
Ползун 30 верхнего блока НМ на фиг.9 состоит и из симметрично расположенных башмаков 38, соединенных балкой 39. Башмаки имеют длину «l» для обеспечения перемещения по направляющей без перекоса. С каждой из сторон башмака расположены проушины 40 с двумя отверстиями. На торцевой поверхности каждого башмака расположены проушины 41 для фиксации каретки в транспортном положении блока.
Эксцентрик 31 на фиг 10 состоит из полок «Z»-образной формы 42, втулок 43, которые соединены меду собой стенками 44. В составе верхнего блока НМ 12 эксцентрики 31 соединяют несущий каркас 28 с проушинами ползуна 30 и создают кинематическую пару по управлению положением несущего каркаса.
Нижний блок НМ 13 на фиг.11 состоит из двух симметрично расположенных секций несущего каркаса 45 и трех уровней сборки ползунов и эксцентриков, соответственно, 47 и 48, 49 и 50, 51 и 52. На стыке направляющих СВП расположены проушины 55, которые соединяются с ответными проушинами смежной секции направляющей 37 и фиксируются пальцами. На колоннах задней грани расположены четыре проушины 56 для соединения с проушинами на УПМ установкой пальцев 5 в совмещенные отверстия.
По своему конструктивному исполнению ползуны и эксцентрики аналогичны верхнему блоку НМ 12 и обеспечивают подвеску секции направляющей СВП 46 к симметрично расположенным секциям несущего каркаса 45.
Нижний ползун 51 перемещается по направляющим с помощью гидроцилиндра 53. Передача усилия от штока гидроцилиндра 53 к ползуну 51 осуществляется штангой 54. Корпус гидроцилиндра шарнирно закреплен к поперечной балке секции направляющей СВП 34. Для прохождения штока гидроцилиндра 53 и штанги 54 поперечная балка ползуна 49 и поперечная балка направляющей СВП снабжены отверстиями. Зеркально расположенные эксцентрики 52 являются одновременно балками гашения реактивного момента при работе СВП и имеют сечения, удовлетворяющие условиям прочности при действии максимального крутящего момента, развиваемого СВП при сборке и разборке замковых соединений бурильных труб.
На фиг.12 и 13 представлены выносные элементы «А» сборки ползуна 30 и эксцентрика 31, взаимодействие которых с несущим каркасом 28 и секцией направляющих СВП 33 отображают принцип кинематического и силового взаимодействия элементов механизма складирования мачты. В рабочем положении на НМ 2, фиг.3, установлены все пальцы в совмещенные отверстия проушин ползунов и эксцентриков, как и выносном элементе «А» на фиг.12, которые обеспечивают неподвижность всех компонентов НМ 2. Для перехода в режим складирования удаляются внешние съемные пальцы в сборке «П»-образной фермы, фиг.7, и нижние пальцы эксцентриков 58, как показано на фиг.12. На фиг.12 эти пальцы снабжены цепочками для закрепления к узлам, на которых расположены неподвижные проушины. В новом состоянии несущий каркас НМ 2 становится подвижным и две зеркально расположенные секции несущего каркаса могут вращаться относительно двух внутренних осей 29 на «П»-образной ферме 27, фиг.7. Поворот секций несущего каркаса осуществляется перемещением ползуна 51 с помощью гидроцилиндра 53. При повороте несущего каркаса «Z»-образные эксцентрики разворачиваться относительно осей 57 при одновременном перемещении ползуна 30 вдоль направляющей 33. Достаточным условием для выхода эксцентрика из горизонтального положения является смещение «d» оси вращения эксцентрика относительно горизонтальной оси эксцентрика в зафиксированном состоянии, которые образуют угол «е» между горизонтальной осью эксцентрика и осью, соединяющей центры отверстий боковых проушин. Величина расстояния «d» и, соответственно, угла «е» для каждого пассивного эксцентрика выбрана из условия создания усилия вдоль направляющей, превышающего усилие сухого трения при перемещении ползуна вдоль направляющей и возможных внешних воздействий препятствующих повороту секций несущего каркаса.
В плане функционального назначения эксцентрики 52 являются активными (приводными) эксцентриками, тогда как остальные эксцентрики перемещаются только за счет разворота несущего каркаса НМ 2 и являются пассивными (ведомыми) эксцентриками. НМ 2 в сложенном положении представлен на фиг.4 где отображено новое положение компонентов складирования мачты, приведенных на фиг.3.
Подъем вышки и ее удержание в рабочем положение обеспечивает УПМ, общий вид которой приведен на фиг.14. УПМ состоит из следующих транспортно-монтажных узлов: поперечной балки 59, двух колонн 60, двух подкосов 61. На колоннах 60 размещены два шкива канатной системы подъема мачты и обводной шкив для талевого каната лебедки. Поперечная балка 59 соединена с колоннами 60 с помощью четырех пальцев. Сборка подкосов 61 с балкой 59 обеспечивается четырьмя пальцами 63. Между колоннами 60 и поперечной балкой установлены две регулируемые растяжки 64 для повышения жесткости УПМ в фронтальной плоскости колонн. Между колоннами 60 и подкосами 61 установлены две регулируемые стяжки 62, обеспечивающие выборку зазоров в шарнирных соединениях в плоскости колонн и подкосов.
На фиг.15 и 16 представлен вариант транспортировки верхнего и нижнего блоков ВМ 1, соответственно, 9 и 10 на платформах грузовых автомобилей общего назначения 65. Каркас нижнего блока 10 является одновременно контейнером для перевозки сборки талевого блока и СВП. Закрепление талевого блока и СВП к каркасу блока 10 на фиг.10 осуществляется установкой пальцев в совмещенные отверстия проушин на каретках 23, 25 и колоннах секций направляющей СВП 21.
На фиг.17 и 18 представлен вариант транспортировки верхнего и нижнего блоков НМ 2, соответственно, 12 и 13 на платформах грузовых автомобилей общего назначения 65. Разборка НМ 2 на блоки 12 и 13 производится после складирования мачты в транспортное положение, как показано на фиг.4, и закрепления ползунов к направляющим установкой пальцев в совмещенные проушины верхнего и нижнего ползунов с проушинами на направляющей.
Монтаж мачты при транспортировке мелкими модулями может производиться с использованием традиционных транспортных и грузоподъемных средств. Сборка мачты и ее установка на буровую площадку производится обычными грузоподъемными средствами.
Монтаж мачты с использованием специальных транспортных средств, представленных на фиг.19 и 20, производится в последовательности, которые отражены на фиг.21 и 22:
- на основание буровой установки 68 устанавливается УПМ 4 и закрепляется пальцами к опорам 7 и 8;
- НM 2 (в горизонтальном положении) приподнимается с помощью домкрата на тележке 66 и опускается на рабочую площадку основания 68. В этом положении производится раздвижение колонн НМ 2 с помощью гидроцилиндра 53 и выполняются все необходимые операции по установке пальцев для фиксации компонентов НМ 2 в рабочем положении;
- с помощью тягача 67 и домкрата на тележке 66 НМ 2 подводится к опорам 7 и фиксируется пальцами;
- тележка 66, на которой транспортировался НМ 2, перемещается в положение, как показано на фиг.21, тягач 67 освобождается от удержания НМ 2;
- к свободному торцу НМ 2 с помощью тягача 67 и домкрата на тележке 66 подводится и стыкуется ВМ 1;
- СВП перемещается в НМ 2, к элеватору подвешивается уравнительная балка, мачта оснащается грузовыми канатами 71, а талевая система буровым канатом 72;
- мачта приподнимается с помощью лебедки 69, устанавливается монтажная стойка 70, тягач 67 отъезжает, устанавливается платформа 6;
- мачта поднимается с помощью лебедки 69 в вертикальное положение и закрепляется пальцами 5 на фиг.1 к УПМ 4.