МОБИЛЬНАЯ БУРОВАЯ УСТАНОВКА "МОБИЛМАШ-20"

Полезная модель относится к области бурения и представляет собой мобильную буровую установку, предназначенную для бурения, преимущественно, водяных скважин глубиной до 700 м в макроклиматических районах с умеренным и холодным климатом при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 50°C.
Известна мобильная буровая установка (Патент РФ №67615), которая содержит подъемный блок на раме самоходного шасси, состоящий из приводного двигателя, раздаточного редуктора, валы которого находятся в зацеплении с возможностью передачи крутящего момента через соединительные элементы на цепные редукторы трансмиссии тихого и быстрого хода однобарабанной лебедки с двумя дисковыми пневматическими муфтами, а также - с возможностью передачи крутящего момента на привод ротора, редуктора аварийного привода, вал которого соединен с трансмиссией аварийного привода и с трансмиссией тихого хода лебедки, телескопическую вышку с кронблоком, талевую систему с крюкоблоком, выполняющую связь лебедки с указанной вышкой, и буровое основание. Техническим результатом известного решения является упрощение конструкции установки с сохранением ее функциональных возможностей за счет применения однобарабанной лебедки, которая наиболее компактна и проста по конструкции по сравнению с двухбарабанной лебедкой с буровым и тартальным барабанами, примененной в известных решениях. Недостатком указанной известной установки является трудоемкость в обслуживании.
Также известен мобильный ремонтно-буровой агрегат, предназначенный для бурения, освоения, ремонта, восстановления скважин (Патент РФ №2204680). Агрегат включает самоходную транспортную базу, например грузовой автомобиль, на платформе которой смонтированы вышка с талевой системой, буровая однобарабанная лебедка, механический привод основных механизмов, гидравлический привод вспомогательных механизмов и гидравлические аутригеры. Привод основных механизмов снабжен реверсивным электродвигателем постоянного тока, установленным на платформе перед буровой лебедкой, который кинематически связан с раздаточным редуктором привода буровой лебедки и ротором. А раздаточный редуктор кинематически соединен с ротором через последовательно размещенные вал, муфту и реверсивный угловой редуктор. Самоходная транспортная база известного агрегата содержит двигатель с коробкой передач, который посредством вала связан с коробкой отбора мощности. Последняя связана с редуктором раздаточным привода насосов, а затем через вал - с редуктором раздаточным привода буровой лебедки и ротора. Этот агрегат обеспечивает повышение надежности и эффективности работы за счет включения в состав реверсивного электродвигателя постоянного тока, что позволяет при соответствующих условиях переходить от привода двигателя автомобиля на работу с приводом от электродвигателя, с присущими этому виду привода преимуществами.
Однако указанный известный буровой агрегат имеет сложную трансмиссию в редукторе раздаточном привода насосов главным образом из-за того, что она выполнена шестереночной. В результате, при запуске насосов в работу, может происходить высокое первоначальное ударное усилие как на вал, связывающий коробку отбора мощности с узлом привода насосов, так и на вал, связывающий этот узел с редуктором раздаточным привода буровой лебедки и ротора. В результате этого возникает неравномерность передачи крутящего момента далее на последующие механизмы, что может привести в какие-то моменты к нестабильности их работы.
Кроме того, известный агрегат может не обеспечить стабильный процесс бурения в условиях твердых пород, особенно, перемежающихся. Это объясняется недостаточным согласованием изменения в этой ситуации крутящего момента и частоты вращения ротора и углового редуктора ввиду отсутствия такого важного узла, как тормоз ротора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является мобильная буровая установка (Патент РФ №136078), содержащая подъемный блок на раме самоходного шасси, состоящий из приводного двигателя, раздаточного редуктора, валы которого находятся в зацеплении с возможностью передачи крутящего момента на цепные редукторы трансмиссии тихого и быстрого хода однобарабанной лебедки с двумя дисковыми пневматическими муфтами, а также с возможностью передачи крутящего момента на привод ротора через вал, муфту и угловой редуктор. Установка также содержит узел привода насоса для перекачки бурового раствора, который находится в зацеплении с карданным валом от коробки отбора мощности двигателя, редуктор аварийного привода, вал которого соединен с трансмиссией аварийного привода и с трансмиссией тихого хода лебедки, телескопическую вышку с кронблоком, талевую систему с крюкоблоком, выполняющую связь лебедки с указанной вышкой, и буровое основание. При этом раздаточный редуктор кинематически соединен с ротором через последовательно размещенные вал, дисковую пневматическую муфту включения привода ротора, дисковый тормоз ротора, моментомер и реверсивный угловой редуктор, а талевая система установки дополнительно снабжена успокоителем талевого каната, снабженным двумя степенями свободы и амортизационной пружиной на плавающей каретке.
Однако указанная известная буровая установка имеет сложную трансмиссию в редукторе раздаточном для привода насоса, главным образом из-за того, что она выполнена шестереночной. В результате, при запуске насосов в работу, может происходить высокое первоначальное ударное усилие как на вал, связывающий коробку отбора мощности с узлом привода насосов, так и на вал, связывающий этот узел с редуктором раздаточным привода буровой лебедки и ротора. В результате этого возникает на первичном этапе неравномерность передачи крутящего момента далее на последующие механизмы, что может привести к нестабильности их работы.
Кроме того, известная установка может не обеспечить стабильный процесс бурения в условиях твердых пород, или в условиях чередующихся по твердости пород. Это объясняется недостаточным согласованием изменения в этой ситуации крутящего момента и частоты вращения ротора и реверсивного редуктора, ввиду отсутствия такого важного узла между ними, как тормоз ротора. В известной установке этот тормоз имеется, но он размещен между дисковой пневматической муфтой и реверсивным редуктором, что исключает его прямое влияние на ротор, а значит - в некоторых ситуациях на стабильность его работы. Таким образом, известная установка не позволяет обеспечить стабильную работу на всем протяжении производственного цикла работы известной установки: от начала запуска до окончания буровых работ.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в обеспечении стабильности работы всех механизмов установки, в том числе, и в первичный период начала работы, на всем периоде производственного цикла: от начала включения установки и до выполнения бурения в породах различной твердости, за счет исключения шестереночной трансмиссии узла привода насоса и одновременно за счет улучшенного согласования крутящего момента и частоты вращения реверсивного редуктора и ротора.
Поставленный технический результат достигается предлагаемой мобильной буровой установкой, включающей подъемный блок на раме самоходного шасси, состоящий из приводного двигателя, коробки отбора мощности, карданный вал от которой находится в зацеплении с узлом привода насоса для перекачки бурового раствора, раздаточного редуктора, валы которого находятся в зацеплении с возможностью передачи крутящего момента на цепные редукторы трансмиссии тихого и быстрого хода однобарабанной лебедки с двумя дисковыми пневматическими муфтами, а также с возможностью передачи крутящего момента на привод ротора, вышку с кронблоком, талевую систему с крюкоблоком, выполняющей связь лебедки с указанной вышкой, и буровое основание, новым является то, что узел привода насоса дополнительно содержит промежуточную опору, установленную на карданном валу от коробки отбора мощности и выполненную с возможностью вращения от указанного вала, при этом насос снабжен клиноременной передачей, ведущий шкив от которой закреплен на указанной промежуточной опоре совместно с муфтой включения привода насоса, а раздаточный редуктор кинематически соединен с ротором через последовательно размещенные карданный вал, редуктор реверсивный и дисковый тормоз ротора.
Указанный технический результат достигается за счет совокупности конструктивных узлов, входящих в конструкцию предлагаемой мобильной буровой установки, и их взаимосвязи на протяжении всего производственного цикла работы установки: от начала запуска до окончания буровых работ.
Снабжение узла привода насоса промежуточной опорой, установленной на карданном валу от коробки отбора мощности и выполненной с возможностью вращения от указанного вала, позволяет снабдить насос клиноременной передачей и исключить из узла привода насоса шестереночную трансмиссию, а значит - обеспечить стабильность работы всех механизмов установки, в том числе, в первичный период начала работы.
Благодаря тому, что ведущий шкив указанной клиноременной передачи закреплен на указанной промежуточной опоре совместно с муфтой включения привода насоса, обеспечивается как работоспособность узла привода насоса, так и плавный, стабильный режим начала работы, без рывков, без жестких усилий на карданные валы. В результате будет гарантирована стабильная работа и всех последующих механизмов мобильной установки, т.к. они связаны в единый цикл.
Но чтобы обеспечить стабильную работу предлагаемой установки на всем периоде производственного цикла: от начала включения установки до выполнения бурения в породах различной твердости, предложено в конструкции мобильной установки, помимо вышеуказанного конструктивного изменения, дополнительно разместить между реверсивным редуктором и ротором дисковый тормоз ротора, благодаря которому при отклонении частоты вращения ротора от заданной (оптимальной), а значит при создании условий нестабильной работы, бурильщик производит переключение передач в коробке переключения передач шасси и за счет изменения при этом числа оборотов двигателя будет изменен тормозной момент тормоза ротора и скорость вращения ротора при этом изменится. Частота вращения ротора будет приведена в заданный режим, т.е. будет согласование изменяющихся при прохождении пород различной твердости крутящего момента и частоты вращения реверсивного редуктора и ротора. Таким образом, будет поддерживаться и стабильность процесса бурения, и одновременно - стабильность работы всех механизмов установки от начала ее включения, т.е. стабильная работа на протяжении всего цикла работы установки.
Выбор тормоза ротора дисковым обусловлен возможностью выполнять свои функции без рывков, плавно, без удара, т.к. вращающий момент, на который диски оказывают воздействие, изменяется постепенно по мере увеличения силы нажатия на поверхности трения - диски.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид установки; на фиг. 2 - кинематическая схема установки.
Заявленная мобильная буровая установка содержит раму 1 самоходного шасси, например, шасси УРАЛ 4320-1916-40, имеющую колесную формулу 6×6, на которой расположены узлы и элементы подъемного блока, в том числе приводной двигатель 2, например, дизельный ЕВРО-4 с турбо наддувом, оснащенный двухскоростной коробкой отбора мощности 3, который посредством карданного вала 4 связан с раздаточным редуктором 5 привода буровой лебедки 6 и ротора 7, например, с приводной мощностью 169 (230) кВт (л.с.) и предназначенного для вращения бурильного инструмента и удержания колонны бурильных и обсадных труб при их наращивании, с захватом клиньевым пневматическим.
Установка также содержит узел привода насоса 8, например, марки НБ-50, установленный на раме бурового блока, для нагнетания промывочного раствора в скважину при бурении. Указанный узел привода насоса 8 содержит промежуточную опору 9, установленную на карданном валу 4 от коробки 3 отбора мощности и выполненную с возможностью вращения от указанного вала 4. При этом насос 8 снабжен клиноременной передачей 10, ведущий шкив 11 от которой закреплен на указанной промежуточной опоре 9 совместно с муфтой 12 включения привода насоса 8. Шкив насоса 8 защищен кожухом (на чертеже не показан). Натяжение ремней клиноременной передачи 10 привода насоса 8 происходит при помощи болтов-натяжителей, а также установкой прокладок под раму насоса. Нагнетательная линия насоса 8 соединяется с манифольдом посредством штуцера и быстроразъемного соединения. Штуцер вворачивается в трехходовой кран насоса 8. Соединение рукава со штуцером осуществляется при помощи быстроразъемного соединения. Манифольд представляет собой буровой рукав, подвешенный на мачте бурового блока при помощи подвески и соединенный с буровым насосом и вертлюгом посредством быстроразъемного соединения.
На борту подъемного блока расположен монтажный пульт 13, с которого управляют гидроцилиндром подъема моно вышки 14. Электрооборудование подъемного блока (24 В) подключено к электрооборудованию шасси. Подъемный блок оснащен аварийным освещением напряжением 24 В, габаритными огнями для движения по дорогам общего назначения. Основное освещение установки (220 В) выполнено во взрывозащищенном исполнении. На полуприцепе размещено буровое основание.
На раме 1 в средней ее части установлена однобарабанная лебедка 6, например, с тяговым усилием 51 (5,2) кН (тс), имеющая трансмиссии тихого 15, быстрого 16 хода. «Быстрая» скорость предназначена для подъема и спуска бурильной колонны. «Тихая» скорость предназначена для работы с обсадной колонной и ликвидацией аварий во время эксплуатации установки. Лебедка 6 предназначена для подъема и опускания бурильного инструмента, обсадных и водоподъемных труб, а также для поднятия, подтаскивания тяжестей и других вспомогательных работ.
Лебедка 6 состоит из барабана 17, тормоза 18 барабана лебедки, дисковых пневматических муфт 19 и 20 (в качестве таких муфт могут быть использованы известные пневматические муфты, примененные, например, в подъемном агрегате АЗИНМАШ-37А (см. инструкцию по эксплуатации ЗАПА.ОО.00.000 ИЭ «Подъемный агрегат АЗИНМАШ-37А», Москва, Внешторгиздат, Изд. №3159М 1973 г., стр. 19, рис. 10; стр. 28, рис. 27). Также лебедка 6 связана с талевой системой 21 с крюкоблоком 22, выполняющей связь лебедки 6 с вышкой 14. Тормоз 18 лебедки 8 может быть выполнен одноленточным с ретинаксовыми колодками и пневмоторможением, предназначен для оперативного затормаживания барабана лебедки в процессе работы установки и фиксации его в заторможенном состоянии
Раздаточный редуктор 5 служит для привода лебедки 6 через карданные валы и трансмиссионные редуктора тихого и быстрого хода, а также для передачи крутящего момента буровому ротору. Он установлен параллельно относительно продольной оси лебедки 6 и содержит два вала 23 и 24, находящиеся в зацеплении с возможностью передачи крутящего момента через соединительные элементы на трансмиссии тихого 15 и быстрого хода 16 лебедки 6 соответственно.
Также раздаточный редуктор 5 содержит вал 25, находящийся в зацеплении с возможностью передачи крутящего момента на привод ротора 7 через последовательно установленные реверсивный редуктор 26 и тормоз 27 ротора 7.
Барабан 17 лебедки 6 состоит из сварного барабана с канавками, связанного с валом шпоночным соединением. Вал соединен с опорными элементами рамы через подшипники, а на торцах барабана укреплены тормозные обода (на фиг. не показано).
Большая дисковая пневматическая муфта 19 с вертлюжком подвода воздуха размещена со стороны трансмиссии 15 тихого хода.
Со стороны трансмиссии быстрого хода 16 размещена малая дисковая пневматическая муфта 20 с вертлюжком.
Все трансмиссии одеваются на пустотелые шлицевые валы, которые установлены на подшипниках. Трансмиссия служит для привода лебедки с помощью редукторов.
Раздаточный редуктор 5 посредством карданного вала 25 кинематически соединен с ротором 7 через последовательно установленные: реверсивный редуктор 26 с шинно-пневматической муфтой, который обеспечивает вращение выходного вала, сообщающегося с ротором 7, в любую сторону без предпочтительности, и дисковый тормоз 27 ротора. Редуктор реверсивный 26 служит для привода бурового ротора 7 и изменения направления его вращения.
Вышка 14 служит для выполнения спуско-подъемных операций во время бурения и обсадки скважин. Она состоит из одной секции. К которой приварена рама кронблока. При эксплуатации вышка 14 является опорой для бурильных труб, устанавливаемых в вертикальное положение, кроме того на ней монтируется ряд устройств и приспособлений для различных технологических целей при строительстве скважин, например, в опорные проушины и фланцы, которые имеются в нижней части нижней секции, подвешивается балкон верхового (на фиг. 2 не показан). На указанной секции имеется поддон для укладки крюкоблока 22 в транспортном положении.
2
2
2
Предлагаемая мобильная буровая установка работает следующим образом. Установка для проведения работ при бурении, обслуживании и ремонте скважин устанавливается на рабочей площадке размером 4×12 м, с несущей способностью грунта не менее 15 кг/см. Под колеса шасси устанавливают противооткатные упоры. К откидным площадкам, которыми оснащена установка, крепят опоры и устанавливают лестницы с перилами (на фиг. не показано). Собирают и устанавливают в рабочее положение устройства и приспособления с креплением на вышке. Снимают с крюков вышки оттяжки, канат подвески ключей и расправляют их. Фиксируют крюкоблок 22. Перед подъемом вышки 14 отсоединяют откидные болты передней опоры. По достижении давления 10 МПа (100 кгс/см) вышка 14 должна подниматься. Опускание вышки производят при давлении в пределах от 40 до 50 кгс/см. Положение вышки фиксируют с помощью откидных болтов на задней опоре.
Закрепляют оттяжки: силовые оттяжки натягивают с усилием силовые оттяжки натягиваются с усилием 400-500 кгс (до отсутствия провисания), при этом момент затяжки должен составлять 20 кг.м. Затем устанавливают рабочие площадки.
Работа заявляемой установки заключается в работе узла привода насоса, ротора и в работе лебедки. При включении двигателя 2, с коробки отбора мощности 3 производится вращение карданного вала 4. При этом происходит вращение промежуточной опоры 9, которая установлена на указанном валу 4, и соответственно - вращение ведущего шкива 11, который закреплен на указанной промежуточной опоре 9 совместно с муфтой 12 включения привода насоса 8. И одновременно происходит вращение клиноременной передачи 10 насоса 8, и буровой раствор начинает поступать на ротор 7. Благодаря указанной клиноременной передаче 10 происходит плавный и стабильный запуск в работу установки, с обеспечением стабильности работы всех механизмов установки, в том числе, в первичный период начала работы.
Следует отметить, что от промежуточной опоры 9 через карданный вал 4 вращение передается на первичный вал раздаточного редуктора 5, на котором закреплена шестерня z=15, далее от шестерни z=15 передается вращение на вторичный вал, на котором закреплены две шестерни z=26 и z=17 и от шестерни z=17 вращение передается на шестерни z=40. От раздаточного редуктора 5 вращение передается через два карданных вала 24 и 23 на редуктор (трансмиссии) быстрого 16 и 15 тихого хода лебедки 6.
Однобарабанная лебедка 6, предназначенная для подъема и опускания бурильного инструмента, обсадных и насосно-компрессорных труб, содержит барабан 17 лебедки с валом, который посредством дисковых пневматических фрикционных муфт 19 и 20 соединен напрямую и установлен соосно с основными двигателями, расположенными по разные стороны барабана. Для увеличения тягового усилия на барабане 17 лебедки 6, с соответствующим снижением скорости подъема, работа осуществляется через цепные передачи. В редукторе 15 тихого хода от звездочки z=21 вращение с помощью двухрядной цепи с шагом t=44,45 мм передается звездочке z=52, которая через муфту тихого хода 19 передает вращение валу лебедки. В редукторе 16 быстрого хода от звездочки z=21 вращение с помощью двухрядной цепи с шагом t=44,45 мм передается звездочке z=32, которая через муфту быстрого хода 20 передает вращение валу лебедки 6. Вал лебедки установлен и вращается в двух подшипниковых опорах. Управление лебедкой осуществляется с помощью рычагов и рукояток тормоза 18, а также с пульта управления и обеспечивается пневматической системой лебедки. При включении пневматических дисковых муфт 19 и 20, звездочки тихого и быстрого хода муфт соединяются с валом барабана лебедки 6. Вращение задает привод лебедки с раздаточного редуктора 5, имеющего два выхода на лебедку, с одного выхода 23 на редуктор тихого хода, с другого 24 - на редуктор быстрого хода. Крутящий момент от трансмиссии к барабану 17 лебедки передается с подачей воздуха через штуцер вертлюжка подвода воздуха под диафрагму, расположенную на наружном диске большой пневматической муфты. Тормоз 18 лебедки имеет ручное пневматическое и механическое управление, которое приводится в действие тормозным рычагом, который обеспечивает плавное торможение с постепенным увеличением тормозного усилия.
Использование однобарабанной лебедки 6 обеспечивает полную остановку и удержание груза в неподвижном состоянии некоторое время (до 30 секунд) до момента наложения основного тормоза 18. При бурении двигатель работает в режиме регулятора подачи долота. Система управления приводом обеспечивает полную управляемость приводными электродвигателями, даже при торможении на подъеме и разгоне на спуске.
Вращение на ротор 7 передается от раздаточного редуктора 5 через карданный вал 25 к реверсивному редуктору 26, через тормоз 27 ротора и через выходной вал приводит в действие ротор 7 при помощи карданного вала. От первичного вала раздаточного редуктора 5 через карданный вал 25 вращение передается на входной вал реверсивного редуктора 26. От выходного вала реверсивного редуктора 26 через карданный вал вращение передается на ротор 7 и вращение бурового инструмента происходит за счет вращения шестерен z=16 и z=95.
При этом управление привода ротора производится следующим образом. При вращающемся карданном вале 25 происходит сцепление с ним реверсивного редуктора 26 и через тормоз 27 - на ротор 7. Ротор 7 начинает вращаться и производить бурение при установившемся режиме. В случае увеличения момента сопротивления бурения, например, при прохождении пород различной твердости, происходит проскальзывание дисков дискового тормоза 27 ротора 7 и этим самым ограничиваются большие усилия передачи от привода к буровому инструменту, что уменьшает его крутящий момент и обеспечивает его сохранность при бурении в этих условиях. Кроме того, в этой ситуации реверсивный редуктор 26 может обеспечивать изменение направления вращения ротора 7 для выхода породоразрушающего инструмента из позиции заклинивания или из большого момента сопротивления породы. При этом происходит уменьшение сопротивления породы на инструмент и частота вращения ротора увеличивается, т.е. проскальзывание диска тормоза 27 прекращается и снимается эффект «пружины», который образуется на бурильном инструменте, особенно при бурении в твердых породах. При отклонении частоты вращения ротора 7 от заданной (оптимальной) бурильщик производит переключение передач в коробке переключения передач шасси и за счет изменения при этом числа оборотов двигателя 2 будет изменен тормозной момент тормоза 27, скорость вращения ротора 7 при этом изменится, т.е. улучшится согласование крутящего момента и частоты вращения ротора 7. А это обеспечит оптимальные условия для работы и стабильность процесса бурения, и одновременно с первичной стабильностью пуска всех механизмов в работу - стабильность на протяжении всего цикла работы установки.
Установка вышки 14 в рабочее или транспортное положение осуществляется при помощи гидросистемы, которая обеспечивает разворачивание в рабочее положение узлов и элементов установки. Электрооборудование подъемного блока (24 В) подключено к электрооборудованию шасси.
Контроль за работой двигателя, подача сигнала пуска двигателя, аварийная остановка двигателя осуществляются с пульта управления оператора (бурильщика).
В рабочем положении используют определенные оттяжки: для восприятия нагрузки на установку кронблок и вышку 14 соединяют с рамой 1 двумя силовыми оттяжками; для ограничения перемещения вышки 14 при ветровых нагрузках применяют ветровые оттяжки; для ограничения перемещения балкона и восприятия ветровой нагрузки установлены стабилизирующие оттяжки балкона (оттяжки на фиг. не показаны).
Таким образом, заявленная установка значительно повышает эффективность бурения, обслуживания и ремонта водяных скважин, благодаря обеспечению стабильной работы при бурении скважин на всем периоде производственного цикла: от начала включения установки до выполнения бурения в породах различной твердости.