БУРОВАЯ УСТАНОВКА
DRILLING RIG

Изобретение относится к нефте- и газодобыче, к буровым установкам.
Известны БУ (буровые установки), содержащие различные комплексы оборудования. БУ - это комплекс или система специализированных сборочных единиц, выполняющих в процессе бурения скважины определенные функции и установленные на специальных основаниях для кинематической связи и транспортирования их. БУ - это временное сооружение, так как в условиях эксплуатации многократно меняет свое местоположение. Поэтому все комплексы располагают на основаниях, которые представляют собой сварную металлоконструкцию, сохраняя, по возможности, кинематическую связь при транспортировании(Колчерин В.Г. и др. Новое поколение буровых установок Волгоградского завода в Западной Сибири. - Сургут, ГУЛ ХМАО «Сургутская типография», 2000. - 320 с.).
Эти буровые установки конструктивно сложны и металлоемки.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является буровая установка класса БУ 2900/175 (с. 68 и далее), где 2900 - условная глубина бурения, м; 175 - допускаемая нагрузка на крюке в тс (с.72).
БУ (буровая установка) содержит следующие комплексы оборудования: для спускоподъемных операций; для работы с трубами; для циркуляции раствора; для подготовки и распределения воздуха; для электроснабжения; для водоснабжения и обогрева; противовыбросовое; для управления и контроля за процессом бурения; для заканчивания скважин; для охраны окружающей среды; для транспортирования блоков и модулей; для соцкультбыта; для механизации ремонтных и погрузочно-разгрузочных работ.
Описанная БУ имеет большие габариты и массу, так как подъем свечи труб номинальной длиной 25 или 27 м осуществляется талевой системой с кронблоком, расположенным над свечой труб. При такой конструкции только полезная высота вышки составляет 40,8 м (с.73), а полная высота БУ превышает 50 м (с.77, рис.7.1). Подъем свечей труб осуществляется поштучно, что ограничивает эксплуатационные возможности БУ.
Важную роль имеет комплекс оборудования для удержания на весу труб и инструмента, а также для проведения спускоподъемных операций (с.88). Данный комплекс оборудования предназначен для удержания обсадных труб и инструментов на весу, для спуска и подъема бурильной колонны, а также для различных вспомогательных работ. К вспомогательным работам относятся подъем и опускание вышки, замена оборудования на вышечном основании, установка превенторов и т.д.
К данному комплексу относится следующее оборудование: буровая лебедка с приводом; вышка с механизмом подъема; талевая система, в которую входят кронблок, крюкоблок (крюк, тальблок), талевый канат (трос); механизм крепления и перепуска неподвижного конца; приспособление для установки бухты талевого каната, который является связующим звеном всех механизмов. Талевая система предназначена для кратного уменьшения усилия на ходовом конце каната. Элементами талевых систем являются: кронблок, талевый блок и талевый канат. По конструкции талевый блок совмещен с крюком, и поэтому такая конструкция называется крюкоблоком (с. 100). Крюкоблок (с. 102) предназначен для подвешивания вертлюга (с. 229, рис. 11.53), который служит для подвода раствора в колонну бурильных труб при обеспечении свободного вращения бурильной колонны, поэтому он является промежуточным звеном между талевой системой и вращающимся бурильным инструментом (с. 181).
Буровая лебедка предназначена для создания тягового усилия на ходовом конце каната. Привод лебедки осуществляется от электродвигателя постоянного тока мощностью 560 кВт. Включение первой и второй передач осуществляется дистанционно оперативными пневматическими муфтами.
Вышка БУ 2900/175 ДЭП в собранном виде представляет собой А-образную конструкцию, состоящую из двух трехгранных ног и одной четырехгранной верхней секции. Каждая нога собирается из трех цельносварных секций длиной по 11,245 м. Верхняя секция цельносварная длиной 9,565 м. К верхней секции приварена рама, на которой закреплен кронблок. Кронблок состоит из секции с пятью шкивами, кожухов и отклоняющего шкива (с. 95).
Как видно из приведенного описания, буровая установка и ее спускоподъемный комплекс конструктивно сложны, имеют большие габариты и массу, эксплуатация затруднена из-за невозможности автоматизации процесса спускоподъемных операций при использовании буровой лебедки с тормозами и талевой системы.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных и компоновочных возможностей буровой установки за счет уменьшения массы, габаритной высоты и подъема одновременно нескольких свечей труб.
Поставленная задача решается за счет применения барабана с установленными в нем свечами труб и подъема этого барабана за точку, расположенную несколько выше центра тяжести барабана, а также в применении телескопических механизмов с гидроцилиндрами, допускающими автоматизацию процесса спускоподъемных операций.
Указанный технический результат достигается тем, что буровая установка, содержащая платформу основания, установленную вокруг ротора, вертлюг, расположенный над центром ротора, при этом, в отличие от прототипа, на платформе основания установлена пространственная рама с вертикальными направляющими вертлюга, в которых расположены катки осей, установленных в середине балансиров телескопических механизмов, концы этих балансиров опорами качания попарно соединены короткими осями, верхние балансиры телескопических механизмов соединены длинной осью, на которой закреплен вертлюг, на платформе основания также расположены гидроцилиндры, головки верхних секций гидроцилиндров соединены осью, на которой на опорах качания установлены середины верхних балансиров нижней секции телескопических механизмов, середины нижних балансиров этой секции на опорах качания установлены на оси, зафиксированной на пространственной раме, на которой также расположены вертикальные направляющие барабана, в котором расположены свечи труб, вращающийся сепаратор установлен выше центра тяжести барабана и расположен в цанге на гидроподъемниках, катки наконечников цанги сепаратора установлены в вертикальных направляющих пространственной рамы.
На фиг.1 приведена упрощенная схема буровой установки - вид сбоку. В правой части фиг.1 показан барабан со свечами труб, который находится в вертикальном положении. Приведена фаза подъема телескопических механизмов в момент, когда при подъеме верхняя ось зацепляет крюк вертлюга.
На фиг.2 показан вид сверху на буровую установку на уровне оси, соединяющей головки верхних секций гидроцилиндров, действующих на один телескопический механизм; а барабан со свечами труб - на уровне цанги. В верхней части фиг.2 показаны звенья телескопического механизма в максимально выдвинутом положении, в нижней части - в опущенном состоянии. Для наглядности звенья заштрихованы. Пространственная рама установки может быть как общей (фиг.1), так и раздельной для вертикальных направляющих спускоподъемных механизмов и вертикальных направляющих барабана свечей труб (фиг.2 справа по центру).
На фиг.3 приведен вид спереди на спускоподъемный комплекс буровой установки, а на фиг.4 - вид сбоку. Гидроцилиндры в максимально выдвинутом положении, головки верхних секций гидроцилиндров соединены осью и воздействуют на два телескопических механизма.
На фиг.5 показан вид сбоку; на фиг.6 - вид спереди, справа гидроцилиндры разрезаны, а на фиг.7 - вид сверху на барабан со свечами труб в поднятом положении.
На фиг.8 представлен вид, когда барабан со свечами труб находится в начальном горизонтальном положении, а затем - в фазе подъема.
На платформе основания 1 (фиг.1 и 2), установленной у ротора 2, расположена пространственная рама 3 с вертикальными направляющими 4 телескопических механизмов 5 спускоподъемного комплекса буровой установки. Рама с направляющими может быть образована из унифицированных блоков, устанавливаемых друг на друга. В направляющих 4 расположены катки 6 телескопических механизмов 5. Эти механизмы 5 образуют секции (на фиг.1 показаны 11 секций, а на фиг.3 и 4-7 секций), образованные балансирами 7, которые в середине установлены на опорах качания осей 8 катков 6. Концы этих балансиров 7 опорами качания попарно соединены короткими осями 9. Верхние звенья телескопических механизмов 5 соединены длинной осью 10, на которой крюком 11 закреплен вертлюг 12 со свечой труб (бурильной колонной) 13. Верхние балансиры 7 могут быть односторонними (см. верхнюю секцию). Верхняя секция может иметь длинные оси по бокам на краях балансиров 7, образуя прямоугольник. Несколько верхних секций могут иметь аналогичные длинные оси с одной стороны, образуя П-образный контур. На платформе основания 1 также расположены гидроцилиндры 14, головки 15 верхних секций гидроцилиндров соединены осью 16, на которой на опорах качания установлены середины верхних балансиров 7 нижней секции телескопических механизмов, середины нижних балансиров этой секции на опорах качания установлены на оси 17 (фиг.3), зафиксированной на пространственной раме 3. На нижних балансирах 7 допускается установка противовесов 18 (фиг.4). Вертикальные направляющие 19 барабана 20 свечей труб 13 расположены на платформе основания 1 пространственной рамы 3. Вертикальные направляющие 19 барабана 20 могут быть расположены или на пространственной раме 3 или на отдельной раме 21. В средней части барабана 20 выше его центра тяжести при подсоединенных шлангах подачи раствора (на фиг. не показаны) расположен вращающийся сепаратор 22, установленный в цанге 23 с наконечниками 24 (фиг.7). При совместном исполнении сепаратор 22 должен иметь пазы для выхода свечей труб 13, такой же паз должна иметь цанга 23 (фиг.2). При отдельном исполнении рамы 21 пазы отсутствуют. Барабан 20 (фиг.1) образован дисками 25 с пазами для выхода свечей труб 13 и их фиксаторами 26, а также перекладинами жесткости 27. Нижний опорный диск 28 имеет опорный наконечник 29 и катки 30. При отдельной раме 21 (фиг.5-7) в барабане 20 свечи труб 13 расположены в футлярах 31 с фиксаторами. Гидроподъемники 32 (телескопические гидроцилиндры) расположены или на раме 3, или на отдельной раме 21, они могут быть дополнены телескопическими механизмами. Верхние секции гидроподъемников 32 оснащены головками 33 (фиг.7). Катки 34 наконечников 24 цанги 23 установлены в вертикальных направляющих 19. Платформа основания 1 оснащена горизонтальными направляющими 35 для катков 30 нижнего опорного диска 28 барабана 20 (фиг.8).
Буровая установка работает следующим образом.
Телескопические механизмы 5 и длинная ось 10 верхних балансиров находятся в крайнем нижнем положении (фиг.8). Барабан 20 расположен выше длинной оси 10 в горизонтальном положении с опорой катков 30 нижнего опорного диска 28 на горизонтальных направляющих 35 платформы основания 1. Свечи труб 13 устанавливают и фиксаторами 26 фиксируют в барабане 20 с вращающимся сепаратором 22. На верхние концы плетей труб 13 закрепляем вертлюги 12 с крюками 11, которые должны быть развернуты наружу. Наконечники 24 цанги 23 располагают в головках 33 верхних секций гидроподъемников 32 (фиг.7). От насосной станции под давлением подаем рабочую жидкость в гидроподъемники 32. Первыми срабатывают нижние секции гидроцилиндров с поршнями большого диаметра, затем срабатывают гидроцилиндры с меньшей площадью поршней. Через головки 33 верхних секций гидроподъемников 32 усилия передаются на наконечники 24 и цангу 23 (фиг.8). Цанга 23 с барабаном 20 перемещается вверх, при этом катки 34 наконечников 24 цанги 23 сепаратора 22 перекатываются по вертикальным направляющим 19, а катки 30 нижнего опорного диска 28 перекатываются по горизонтальным направляющим 35. П-образный профиль пространственной рамы 3 или отдельной рамы 21 (фиг.2) позволяет барабану 20 занять вертикальное положение, при этом вертикальное перемещение цанги 23 составит примерно 14-15 м, что незначительно превышает половину длины свечей труб 13 (25-27 м). Опорный наконечник 29 нижнего опорного диска 28 барабана 20 займет положение около ротора 2. Поворачивая барабан 20 с вращающимся сепаратором 22 в цанге 23, поочередно выставляем одну из свечей труб 13 в сторону ротора 2. От насосной станции под давлением подаем рабочую жидкость в гидроцилиндры 14 телескопических механизмов 5. Произведение давления жидкости на площадь поршней гидроцилиндров создает силы, которые поднимают верхние секции гидроцилиндров, головки 15, ось 16 и балансиры 7. При холостом ходе, без нагрузки на ось 10, телескопические механизмы быстро достигают верхнего положения, и ось 10 зацепляется за крюк 11 вертлюга 12. При дальнейшем перемещении оси 10 срабатывают фиксаторы 26, освобождая свечу труб 13, нижний конец которой окажется над центром ротора 2. Увеличение расстояния между осями 16 и 17 увеличивается кратно числу секций телескопических механизмов 5. Если это расстояние увеличится на два метра, то ось 10 с вертлюгом 12 переместится на 14 метров (фиг.4). Увеличивая число блоков пространственной рамы с направляющими, количество секций и величину хода верхней секции гидроцилиндров 14, можно изменять величину подъема свечи труб 13. Спуск свечи труб 13 осуществляется регулируемым отводом рабочей жидкости из гидроцилиндров 14, этот процесс можно автоматизировать. Противовесы 18 облегчают спускоподъемные операции.
При самостоятельном использовании отдельной рамы 21 с барабаном 20 на верхние концы свечей труб 13 при монтаже надо установить уплотнения между трубой 13 и футляром 31. Монтаж свечей труб 13 в футляры 31 возможен при расположении сепаратора 22 непосредственно около ротора 2 (фиг.5-7) или на удалении от ротора. В этом случае барабан 20 со свечами труб 13 подкатывают по горизонтальным направляющим 35 (фиг.8) и фиксируют сепаратор 22 в цанге 23 так, чтобы он имел возможность вращения в цанге. К футлярам 31 подсоединяют шланги подачи раствора (на фигуре не показаны). В случае начала буровых работ крепим буровой инструмент к свече труб 13. Если процесс бурения продолжается, то присоединяем свечу труб 13 из футляра 31 к предыдущей свече труб, находящейся в роторе 2. От бурового насоса под давлением подаем раствор в футляр 31 свечи труб 13, подсоединенных к ротору 2. Уплотнение между внутренней поверхностью футляра 31 и верхним концом свечи труб 13 обеспечивает поступление раствора к буровому инструменту, а ротор 2 - перемещение свечей труб 13 в скважину - производим бурение. Когда верхний конец свечи труб 13 с уплотнением достигнет нижней кромки футляра 31, надо отключить подачу раствора и зафиксировать свечи труб ротором 2. Поворачиваем барабан 20 с сепаратором 22 в цанге 23, подводим следующую свечу труб 13 на центр ротора 2 и подсоединяем ее к погруженным свечам труб. Подключаем подачу раствора к футляру 31 подсоединенной свечи труб 13. Продолжаем бурение. Когда все свечи труб 13 из барабана 20 израсходованы, то отключают подачу раствора. Барабан 20 немного приподнимают, так чтобы можно было отвести нижний опорный диск 28 барабана 20, отводят нижнюю часть барабана с катками 30 на горизонтальные направляющие 35. Постепенно стравливая рабочую жидкость из гидроподъемников 32, возвращаем барабан 20 в горизонтальное положение, устанавливаем плети труб 13 в футляры 31 и т.д. Самостоятельное использование отдельной рамы 21 с барабаном 20 потребует разработки новой конструкции спускоподъемного устройства, монтируемого непосредственно у ротора 2.
Обозначения:
1 - платформа основания (упрощенный вид);
2 - ротор;
3 - пространственная рама;
4 - вертикальные направляющие телескопических механизмов 5;
5 - телескопические механизмы;
6 - катки;
7 - балансиры телескопических механизмов 5;
8 - оси катков 6;
9 - короткие оси концов балансиров 7;
10 - длинная ось верхних балансиров телескопических механизмов 6;
11 - крюк вертлюга 12;
12 - вертлюг;
13 - свеча труб (бурильная колонна);
14 - гидроцилиндры;
15 - головки верхних секций гидроцилиндров 14;
16 - ось головок верхних секций гидроцилиндров 14;
17 - ось, зафиксированная на пространственной раме 3;
18 - противовесы нижних балансиров 7;
19 - вертикальные направляющие барабана 20;
20 - барабан свечей труб 13;
21 - отдельная рама барабана 20;
22 - вращающийся сепаратор барабана 20;
23 - цанга вращающегося сепаратора 22;
24 - наконечники цанги 23;
25 - диски барабана 20 с фиксаторами 26 свечей труб 13;
26 - фиксаторы свечей труб 13;
27 - перекладины жесткости барабана 20;
28 - нижний опорный диск барабана 20;
29 - опорный наконечник нижнего опорного диска 27 барабана 20;
30 - катки нижнего опорного диска 28 барабана 20;
31 - футляры с фиксаторами свечей труб 13 барабана 20;
32 - гидроподъемники - телескопические гидроцилиндры;
33 - головки верхних секций гидроподъемников 32;
34 - катки наконечников 24 цанги 23 сепаратора 22;
35 - горизонтальные направляющие платформы основания 1.