СИЛОВОЙ ВЕРТЛЮГ ДЛЯ БУРОВЫХ ШТАНГ
POWER SWIVEL FOR DRILL RODS

Изобретение касается силового вертлюга для буровых штанг, включающего в себя имеющий корпус редуктора редукторный узел, включающий в себя установленный в редукторном узле с возможностью вращения вокруг оси вращения основной шпиндель, к которому могут присоединяться буровые штанги, при этом редукторный узел включает в себя осевой главный подшипник, имеющий нижнюю часть главного подшипника и вращающуюся относительно нижней части главного подшипника вокруг оси вращения верхнюю часть главного подшипника, при этом основной шпиндель опосредствованно или непосредственно прилегает к верхней части главного подшипника, а нижняя часть главного подшипника - к корпусу редуктора, и при этом редукторный узел включает в себя осевой вспомогательный подшипник, имеющий нижнюю часть вспомогательного подшипника и вращающуюся относительно нижней части вспомогательного подшипника вокруг оси вращения верхнюю часть вспомогательного подшипника, при этом нижняя часть вспомогательного подшипника опосредствованно или непосредственно прилегает к основному шпинделю, а верхняя часть вспомогательного подшипника - к корпусу редуктора.
Такие силовые вертлюги, называемые также «Top Drive» (англ. верхний привод), служат, в частности, для вращательного привода и опускания и подъема буровых штанг. Для этого буровые штанги при эксплуатации без возможности вращения соединены с основным шпинделем обычно путем привертывания. Силовой вертлюг во время эксплуатации направляется в мачте с помощью направляющих салазок. Посредством направляющих салазок при эксплуатации в мачту передаются моменты реакции.
Для опускания и подъема силового вертлюга и вместе с тем буровых штанг обычно служит полиспастовая система, которая закреплена на верхнем конце мачты и, например, через подвесной кронштейн соединена с силовым вертлюгом.
Для приведения во вращение основного шпинделя редукторный узел соединен с по меньшей мере одним электрическим или гидравлическим ротационным двигателем.
Вследствие жесткого соединения буровых штанг с основным шпинделем ставятся высокие требования к его опоре в корпусе редуктора редукторного узла силового вертлюга. В частности, для основного шпинделя должна быть предусмотрена осевая опора, которая пригодна для того, чтобы передавать в корпус массу, имеющуюся у бурильной колонны, снабженной рабочей головкой. Кроме того, осевая опора должна также длительно выдерживать динамические нагрузки, возникающие во время проведения буровых работ.
У силового вертлюга известной конструкции осевая опора основного шпинделя включает в себя осевой главный подшипник. Он выполнен в виде конического роликоподшипника. Нижняя часть этого главного подшипника прилегает к корпусу, на верхнюю часть этого главного подшипника радиальным фланцем опирается основной шпиндель.
Для достижения долгого срока службы осевых подшипников следует избегать зазора между роликами подшипника и верхними и нижними частями подшипника. Для этого в известных силовых вертлюгах предусмотрен пружинный узел, который прижимает верхнюю часть вспомогательного подшипника к телам качения.
Однако оказалось, что, несмотря на это создаваемое таким образом предварительное напряжение, осевой главный подшипник может подвергаться неожиданно высокому износу, в частности, при бурении с нажимом. При этом пакеты пружин сжимаются. В нижнем подшипнике возникает зазор. Из-за этого не обеспечено равномерное перекатывание роликов главного подшипника.
Поэтому в основе изобретения лежит задача усовершенствовать такого рода силовой вертлюг таким образом, чтобы был снижен износ осевых подшипников, и он обладал более высоким ресурсом службы.
Эта задача решается с помощью силового вертлюга, описанного в п. 1 формулы изобретения.
У предлагаемого изобретением силового вертлюга между верхней частью вспомогательного подшипника и корпусом редуктора, и/или между нижней частью вспомогательного подшипника и основным шпинделем, и/или между нижней частью главного подшипника и корпусом редуктора, и/или между верхней частью главного подшипника и основным шпинделем предусмотрено активное устройство для создания давления. Предпочтительным является расположение активного устройства для создания давления между верхней частью вспомогательного подшипника и корпусом редуктора.
Под «активным устройством для создания давления» подразумевается устройство для создания давления, посредством которого может создаваться варьируемое и поэтому адаптируемое к различным состояниям эксплуатации силового вертлюга давление. При этом благодаря предлагаемому изобретением усовершенствованию силового вертлюга можно адаптировать предварительное напряжение, с которым эксплуатируются осевой главный подшипник и вспомогательный подшипник, к различным состояниям эксплуатации. Предварительное напряжение может устанавливаться, например, в зависимости от частоты вращения или действующих на основной шпиндель сил растяжения или сжатия, так, чтобы осевой главный подшипник и вспомогательный подшипник эксплуатировался по меньшей мере почти при оптимальных условиях (давления). Также компенсируются допуски без применения установочных шайб или тому подобного. Кроме того, упрощены техническое обслуживание и монтаж осевого главного подшипника, так как при снятии давления устройства для создания давления внутри корпуса редуктора может создаваться свободное пространство. Активное устройство для создания давления может предусматриваться вместо системы пружин. Поэтому возможно переоснащение существующих силовых вертлюгов.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления активное устройство для создания давления включает в себя поршень, на который может подаваться гидравлическое или пневматическое давление. Предпочтительно этот поршень предусмотрен для подачи гидравлического давления, так как это давление постоянно имеется в распоряжении для привода двигателя силового вертлюга и/или других компонентов бурового устройства, в котором применяется силовой вертлюг.
В первом варианте осуществления поршень может представлять собой кольцевой поршень, действующий на верхнюю часть вспомогательного подшипника. Тогда для приведения его в действие достаточен один единственный канал, впадающий в кольцевое пространство, в котором установлен кольцевой поршень.
Во втором предпочтительном варианте осуществления предусмотрено несколько цилиндрических поршней, действующих на верхнюю часть вспомогательного подшипника. Хотя этот второй вариант осуществления и является более затратным из-за нескольких конструктивных элементов и необходимых нескольких каналов, впадающих в отдельные цилиндры для каждого поршня, однако предпочтительно, что автоматически выравниваются вероятные положения наклона верхней части вспомогательного подшипника и/или корпуса из точно параллельного друг другу положения, которые в случае кольцевого поршня могли бы приводить к его перекосу в кольцевой камере.
При третьем варианте осуществления предлагаемого изобретением силового вертлюга активное устройство для создания давления включает в себя по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент. Тогда давление, создающее предварительное напряжение осевого главного подшипника, путем варьирования величины напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический элемент, может адаптироваться к каждому состоянию эксплуатации, в котором находится буровое устройство, включающее в себя силовой вертлюг. Такое исполнение устройства для создания давления предпочтительно, в частности, тогда, когда силовой вертлюг имеет электрический приводной двигатель.
Независимо от того, снабжено ли устройство для создания давления гидравлическим, пневматическим, пьезоэлектрическим или иным приводом, предпочтительно предусмотрено устройство управления давлением, посредством которого давление, создаваемое активным устройством для создания давления, может изменяться также во время эксплуатации силового вертлюга. Благодаря этой мере предварительное напряжение главного осевого подшипника может адаптироваться к разным состояниям эксплуатации без необходимости прерывания для этого эксплуатации силового вертлюга. В частности, возможны следующие различные состояния эксплуатации, которые требуют изменения давления, создаваемого устройством для создания давления, с целью сокращения износа и повышения ресурса службы главного осевого подшипника.
1. Создание низкого давления с целью создания низкого предварительного напряжения при транспортировке и при складировании силового вертлюга. Давление устанавливается на наиболее низкое возможное значение, которого достаточно, чтобы избежать движений в главном осевом подшипнике, которые могли бы привести к повреждениям подшипника. В случае гидравлического или пневматического привода устройства для создания давления это давление может поддерживаться с помощью аккумулятора давления, подключенного во время транспортировки и складирования силового вертлюга. Если устройство для создания давления включает в себя пьезоэлектрический элемент (или несколько), то может применяться источник напряжения, например, имеющий аккумулятор.
2. Другое давление прижатия, как правило, повышенное по сравнению с давлением прижатия во время транспортировки или складирования, может выбираться, когда буровое устройство, включающее в себя предлагаемый изобретением силовой вертлюг, находится в «нормальном» режиме бурения. Под этим, в частности, подразумевается тот режим бурения, при котором, несмотря на подачу путем опускания силового вертлюга, буровые штанги висят на основном шпинделе. Тогда давление, создаваемое с помощью устройства для создания давления, устанавливается посредством подаваемого гидравлического или пневматического давления или, соответственно, подаваемого электрического напряжения так, что динамические нагрузки, действующие при нормальном режиме на основной шпиндель, как показывает опыт, не приводят к вызывающим повреждения движениям в подшипнике.
3. Когда проходка буровой скважины останавливается, например, вследствие неожиданной твердой горной породы в грунте, то это может приводить к тому, что буровые штанги больше не будут висеть на основном шпинделе, а силовой вертлюг через основной шпиндель будет оказывать давление на буровые штанги. В этом случае давление, создаваемое с помощью устройства для создания давления, повышалось бы путем повышения подаваемого гидравлического или пневматического давления или, соответственно, подаваемого напряжения настолько, чтобы сила давления, с помощью осевого подшипника прижимающая основной шпиндель вниз, была больше, чем сила давления, с которой силовой вертлюг прижимает основной шпиндель вниз. Кроме того, тогда надежно устраняется вызывающий повреждения зазор в подшипнике.
4. Особых пиков давления между силовым вертлюгом и буровыми штангами следует ожидать при так называемой «работе ясом». Этот режим работы может выбираться, когда буровые штанги оснащены так называемым «ударным бурильным ясом». С помощью этого ударного бурильного яса нижний конец верхней части буровых штанг может, на выбор, зажиматься или отсоединяться относительно нижней части буровых штанг. Тогда нижняя или верхняя часть буровых штанг выполнены так, что между этими двумя частями образован упор. В случае, когда нижняя часть буровых штанг или установленный на них буровой инструмент заклинивает в скважине, с помощью силового вертлюга может создаваться напряжение вытягивания буровых штанг. После отпускания ударного бурильного яса нижний конец верхней части буровых штанг быстро движется вверх до упора и при этом действует на нижнюю часть буровых штанг и, возможно, закрепленный на них буровой инструмент с ударной силой, посредством которой буровые штанги или буровой инструмент должны освобождаться. Вследствие этого в осевом главном подшипнике могут возникать большие динамические силы, в частности такие, которые могут приводить к подъему и последующему столкновению друг с другом частей подшипника. Поэтому всегда следует избегать работы ясом. Однако если вследствие непредусмотренного заклинивания она представляется неизбежной, то у предлагаемого изобретением силового вертлюга с помощью устройства для создания давления должно создаваться максимально допустимое предварительное напряжение в осевом главном подшипнике, чтобы снизить опасность повреждения до технически возможного минимума.
Наряду с наличием устройства для управления давлением, посредством которого давления, создаваемые активным устройством для создания давления, могут адаптироваться к разным состояниям эксплуатации, можно также предусмотреть устройство для регулирования давления, посредством которого давление, создаваемое активным устройством для создания давления, регулируется в зависимости от сил, действующих на основной шпиндель в направлении оси вращения. Для этого в основном шпинделе, в бурильных штангах и/или же на предусмотренном на бурильных штагах буровом инструменте могут быть предусмотрены датчики усилия, которые регистрируют направление и величину сил, действующих на основной шпиндель. Могут также регистрироваться другие параметры эксплуатации, такие как частота вращения, с которой эксплуатируется основной шпиндель, вращающий момент, который передается посредством основного шпинделя. Тогда устройство регулирования регулирует давление, создаваемое активным устройством для создания давления, предпочтительно как функцию зарегистрированных значений в соответствии с некоторой предопределенной зависимостью таким образом, чтобы нельзя было ожидать движений в осевом главном подшипнике, однако предотвращалась чрезмерная нагрузка давлением конструктивных элементов осевого главного подшипника вследствие слишком высокого предварительного напряжения.
Теперь надо дополнительно пояснить изобретение с помощью прилагаемых чертежей. Показано:
фиг. 1: родственный относящийся к уровню техники силовой вертлюг на частично рассеченном виде сбоку (вид перпендикулярно оси вращения основного шпинделя);
фиг. 1a: деталь I фиг. 1 в увеличенном изображении;
фиг. 2: первый пример осуществления предлагаемого изобретением силового вертлюга в изображении, соответствующем фиг. 1;
фиг. 2a: деталь II фиг. 2 с гидравлической схемой соединений;
фиг. 2b: отдельное изображение поршня активного устройства для создания давления на виде в соответствии с фиг. 2 сверху;
фиг. 3: второй пример осуществления предлагаемого изобретением силового вертлюга на виде, соответствующем фиг. 2;
фиг. 3a: деталь III фиг. 3 вместе с гидравлической схемой соединений;
фиг. 3b: отдельное изображение отдельных поршней активного устройства для создания давления на виде в соответствии с фиг. 3 сверху, а также
фиг. 4: увеличенное изображение гидравлической схемы соединений.
Силовой вертлюг, обозначенный на фиг. 1 в целом позицией 100, включает в себя редукторный узел 1, который имеет корпус 2 редуктора. В корпусе 2 редуктора установлен с возможностью вращения вокруг оси D вращения основной шпиндель 3. У основного шпинделя 3 предусмотрено не различимое на чертеже, так как оно закрыто частями корпуса редуктора, цилиндрическое зубчатое колесо с наружным зубчатым венцом, к которому присоединен тоже не различимый на чертеже, обычно гидравлический или электрический приводной двигатель.
Основной шпиндель 3 с помощью верхнего радиального подшипника 4 и с помощью нижнего радиального подшипника 5 радиально установлен в корпусе 2 редуктора. Между верхним и нижним радиальным подшипником 4, 5 предусмотрен осевой главный подшипник 6. Он включает в себя нижнюю часть 7 главного подшипника, которая лежит на фланце 8 корпуса 2 редуктора. Кроме того, осевой главный подшипник включает в себя верхнюю часть 9 главного подшипника, которая через конические ролики 10 опирается на нижнюю часть 7 главного подшипника.
К верхней части 9 главного подшипника радиальным фланцем 11 прилегает основной шпиндель 3. При этом он фиксируется с помощью осевого главного подшипника от смещения в соответствии с фиг. 1 вниз.
Осевой главный подшипник 6, как можно видеть на фиг. 1, выполнен с большими размерами по сравнению с другими подшипниками, так как при эксплуатации он должен, в частности, воспринимать силу веса не изображенных на чертеже, соединенных с основным шпинделем 3 буровых штанг.
Для удержания основного шпинделя 3 в осевом положении также против сил, возможно действующих во время эксплуатации, в соответствии с фиг. 1, снизу вверх, или во время складирования, или во время транспортировки в нерабочем положении силового вертлюга, предусмотрен осевой вспомогательный подшипник 12. Он включает в себя нижнюю часть 13 вспомогательного подшипника, которая опирается сверху на радиальный фланец 11. Через ролики 14 подшипника на нижнюю часть вспомогательного подшипника опирается верхняя часть 15 вспомогательного подшипника. Верхняя часть 15 вспомогательного подшипника установлена в корпусе 2 редуктора. Между верхней частью 15 вспомогательного подшипника и корпусом 2 редуктора и/или между нижней частью 13 вспомогательного подшипника и радиальным фланцем 11 могут быть предусмотрены не различимые на чертеже дистанционные шайбы для компенсации по меньшей мере грубых допусков.
Для предотвращения осевого зазора в системе осевых подшипников, включающей в себя осевой главный подшипник 6 и осевой вспомогательный подшипник 12, вызванного, например, меньшими допусками, термически обусловленными изменениями управления, износом и пр., который может приводить к ощутимому повышению износа и связанному с ним уменьшению ресурса службы, верхняя часть 15 осевого вспомогательного подшипника 12 с помощью расположенной в сверлениях 16 системы 17 пружин в соответствии с фиг.1 предварительно напряжена вниз. При этом основной шпиндель 3 под действием силы упругости, созданной с помощью системы пружин, прижимается вниз.
На фиг. 2 и 3 описаны два примера осуществления усовершенствования изобретения силового вертлюга 100 такого рода, описанного с помощью фиг. 1. Во избежание повторов соответствующие конструктивные элементы на фиг. 2 и 3 снабжены теми же ссылочными обозначениями, что и на фиг. 1. Поэтому ссылаемся на описание фиг. 1.
Изображенный на фиг. 2 и теперь обозначенный в целом позицией 200 силовой вертлюг включает в себя активное устройство 18 для создания давления, которое предусмотрено между верхней частью 15 вспомогательного подшипника и корпусом 2 редуктора вместо системы 17 пружин.
В примере осуществления, изображенном на фиг. 2, 2a и 2b, активное устройство для создания давления включает в себя кольцевой поршень 19, который установлен в предусмотренном в корпусе 2 редуктора кольцевом пазу 20, создавая с ним уплотнение в боковом направлении.
В дно кольцевого паза 20 впадает канал 21, посредством которого подводится находящаяся под давлением гидравлическая среда, и при этом кольцевой поршень 19, в зависимости от давления, под которым находится подводимая гидравлическая среда, с различной силой сверху может прижиматься к верхней части 15 вспомогательного подшипника. Давление предпочтительно выбирается так, чтобы главный подшипник 6 работал в наиболее оптимальных возможных условиях.
В примере 300 осуществления, изображенном на фиг. 3, 3a и 3b, вместо кольцевого поршня применяются несколько цилиндрических поршней 19ʹ, действующих сверху на верхнюю часть 15 вспомогательного подшипника. Поршни 19ʹ установлены в цилиндрах 20ʹ, которые гидравлически соединены друг с другом, так что на все поршни 19 может подаваться одно и то же гидравлическое давление.
Вместо поршней 19ʹ могут также применяться другие активные элементы для создания давления, например, пьезоэлектрические элементы, когда эксплуатация должна осуществляться с электрическим приводом.
Предоставление гидравлической среды осуществляется посредством гидравлического устройства 22, конструкцию и принцип действия которого надо описать ниже с помощью фиг. 4.
Гидравлическое устройство 22 включает в себя бак 23 для гидравлической жидкости, а также подключенный после бака гидравлический насос, имеющий обратный клапан 24. Бак 23 и гидравлический насос, имеющий обратный клапан 24, могут принадлежать к одному гидравлическому агрегату, предоставляющему гидравлическую жидкость, необходимую для эксплуатации буровой установки, к которой относится предлагаемый изобретением силовой вертлюг 200, 300.
К гидравлическому насосу, имеющему обратный клапан 24, через гидравлический трубопровод 25 подключен подпружиненный и электрически включаемый распределительный клапан 26. Распределительный клапан 26 подключен к каналу 21 через гидравлический трубопровод 27. К гидравлическому трубопроводу 27 подключены пневмогидроаккумулятор 28, прибор 29 для измерения давления, а также электрически регулируемый предохранительный клапан 30.
Распределительный клапан 26 и предохранительный клапан 30 электрически соединены с устройством 31 управления или регулирования.
На фиг. 4 показано гидравлическое устройство в состоянии, в котором активное устройство 18 для создания давления отсоединено от гидравлического насоса 24. Для этого гидравлические трубопроводы 25 и 27 заперты распределительным клапаном 26. В гидравлическом трубопроводе 27 действует давление, определяемое гидроаккумулятором 28.
Для создания предварительного напряжения в осевом главном подшипнике 6 в распределительный клапан 26 и предохранительный клапан 30 посредством устройства 31 управления и регулирования подается электрический сигнал, являющийся мерой желаемого значения давления, которое должно создаваться посредством активного устройства 18 для создания давления. Вследствие этого электрического сигнала сначала переключается распределительный клапан 26, так что гидравлический трубопровод 27 соединяется с гидравлическим трубопроводом 25, и вместе с тем в канал 21 подается гидравлическое давление, обеспечиваемое гидравлическим насосом 24. Когда достигнуто гидравлическое давление, соответствующее электрическому сигналу, поданному устройством управления или регулирования, открывается предохранительный клапан 30. Если давление падает ниже желаемого значения, то предохранительный клапан закрывается. Благодаря этому на активном устройстве 18 для создания давления получается давление, задаваемое устройством управления или регулирования, при этом вероятные колебания давления сглаживаются гидравлическим аккумулятором 28. Также вероятные потери гидравлической жидкости вследствие утечек могут выравниваться до пределов, ограниченных объемом гидроаккумулятора 28.
Устройство 31 управления или регулирования в одном из двух случаев может быть выполнено для ручного задания желаемого значения давления. Тогда речь идет, строго говоря, об устройстве управления. Однако можно также выполнить устройство 31 управления или регулирования в виде устройства регулирования в более узком смысле. Тогда оно включает в себя дополнительный сигнальный вход, на котором получаются значения сил, зарегистрированные посредством надлежащих сенсоров, например, действующие на основной шпиндель 3 в направлении оси вращения. Тогда с помощью алгоритма, сохраненного в памяти устройства регулирования, распределительный клапан 26 и предохранительный клапан 30 приводятся в действие так, чтобы в гидравлическом трубопроводе 27 имелось то давление, которое требуется для создания предварительного напряжения осевого главного подшипника 6, оптимального для данного состояния эксплуатации.
Если вместо поршня или поршней 19, 19ʹ предусмотрены пьезоэлектрические элементы, то выход устройства управления или регулирования может быть соединен непосредственно с этими пьезоэлектрическими элементами, если устройство управления или регулирования адаптированы к пьезоэлектрическим элементам с учетом создаваемых на выходе электрических величин.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
100, 200, 300 Силовой вертлюг
1 Редукторный узел
2 Корпус редуктора
3 Основной шпиндель
4 Верхний радиальный подшипник
5 Нижний радиальный подшипник
6 Осевой главный подшипник
7 Нижняя часть главного подшипника
8 Фланец
9 Верхняя часть главного подшипника
10 Конические ролики
11 Радиальный фланец
12 Осевой вспомогательный подшипник
13 Нижняя часть вспомогательного подшипника
14 Ролики подшипника
15 Верхняя часть вспомогательного подшипника
16 Сверления
17 Система тарельчатых пружин
18 Активное устройство для создания давления
19 Кольцевой поршень
19ʹ Поршень
20 Кольцевой паз
20ʹ Цилиндр
21 Канал
22 Гидравлическое устройство
23 Бак
24 Обратный клапан гидравлического насоса
25 Гидравлический трубопровод
26 Распределительный клапан
27 Гидравлический трубопровод
28 Гидроаккумулятор
29 Прибор для измерения давления
30 Предохранительный клапан
31 Устройство управления или регулирования
D Ось вращения