ВЕРХНИЙ СИЛОВОЙ ПРИВОД БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к установкам бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в подвесных буровых установках с верхним приводом вращения бурильных труб.
Известен верхний силовой привод (ВСП) установки горизонтального бурения нефтяных скважин (RU 29551, Е21В 19/00, Е21В 3/00, 2003.07.13). Он содержит силовой вертлюг с направляющей кареткой, установленной на направляющих привода, механизм отклонения силового вертлюга от оси центра скважины, механизм подачи бурильных труб и отличается тем, что механизм отклонения силового вертлюга от оси центра скважины в поперечном направлении выполнен в виде системы рычагов параллелограммного механизма, установленного на направляющей каретке, и дополнительно снабжен двумя силовыми гидроцилиндрами, расположенными параллельно и связанными с одной стороны с направляющей кареткой, а с другой - с основанием параллелограммного механизма, при этом механизм подачи бурильных труб дополнительно снабжен узлом наклона штропов элеватора, выполненным в виде двух гидроцилиндров, расположенных между вертлюгом и штропами элеватора, при этом последние установлены с возможностью перемещения от зоны бурения. К недостаткам устройства можно отнести то, что в конструкции использован редукторный привод вращения вала вертлюга. Увеличение габаритных размеров ВСП за счет зубчатого редуктора ограничивают область их применения в мобильных буровых установках (МБУ) из-за ограниченных размеров рабочей зоны балкона верхового рабочего. Кроме этого имеет место усложнение конструкции ВСП и увеличение его массы, что снижает надежность привода, а также сокращает технический ресурс талевого блока МБУ.
Известен верхний силовой привод буровой установки (RU 2237790), содержащий вертлюг, смонтированный на направляющей каретке, механизм отклонения вертлюга от оси центра скважины и механизм подачи бурильных труб. Привод вращения и торможения вертлюга выполнен в виде соосно расположенных высокомоментного гидромотора и установленного на нем дискового гидравлического тормоза, причем корпуса гидромотора и тормоза жестко связаны между собой и расположены в нижней части корпуса вертлюга, причем ротор гидромотора и вал тормоза выполнены полыми и установлены на выходной полый вал вертлюга (прямой привод вращения), для этого в нижней части корпуса вертлюга выполнено проходное отверстие, внутри которого на подшипниках, например, игольчатого типа, смонтирован выходной полый вал, а внутренние радиальные подшипниковые опоры ротора гидромотора являются одновременно и верхней опорой выходного вала вертлюга. Известная конструкция имеет компактные габаритные размеры и позволяет использование в МБУ. К недостаткам устройства можно отнести то, что из-за погрешностей изготовления и монтажа корпуса вала и крышки ВСП имеет место несоосность ротора гидромотора, установленного на шлицах выходного вала ВСП и статора гидромотора, жестко соединенного с корпусом ВСП. Это приводит к дополнительной нагрузке на подшипниковые узлы и цилиндро-поршневую группу гидромотора. Подобные нештатные нагрузки приводят к быстрому износу деталей, снижению долговечности, надежности гидромотора, увеличению вибраций и шума. Кроме того, использование в едином корпусе гидромотора с гидротормозом возможно лишь в ограниченном ассортименте выпускаемых мировыми производителями изделий, что существенно ограничивает возможность выбора оптимального варианта пары гидромотор-гидротормоз из существующего типоразмерного ряда.
Задачи, на решение которых направлена полезная модель, заключаются в создании нового ВСП с прямым приводом вращения, свободного от указанных выше недостатков.
Технический результат полезной модели состоит в повышении надежности и долговечности ВСП с прямым приводом вращения и снятии ограничений на выбор оптимальной комбинации гидромотора и гидротормоза из типоразмерного ряда.
Поставленная задача решена следующим образом. Верхний силовой привод буровой установки содержит вертлюг, смонтированный на направляющей каретке, механизм отклонения вертлюга от оси центра скважины, механизм подачи бурильных труб и привод вращения и торможения, в корпусе которого расположены соосно гидромотор и гидротормоз, установленные на шлицевые поверхности вала вертлюга, и отличается тем, что привод вращения дополнительно снабжен компенсирующим соединительным устройством, выполненным в виде кулачково-дисковой муфты, причем корпус гидротормоза закреплен посредством верхней крышки к корпусу вертлюга, при этом через упомянутую крышку в корпусе вертлюга установлена и закреплена полая тумба с гидромотором, корпус которого закреплен посредством фланца к верхней ведущей полумуфте, которая через промежуточный диск, соединена с нижней ведомой полумуфтой, закрепленной на корпусе вертлюга, а на промежуточном диске с обеих сторон выполнены взаимно перпендикулярные поперечные выступы прямоугольного профиля, входящие в пазы ведущей и ведомой полумуфт.
Новое конструктивное выполнение привода вращения с установкой компенсирующей кулачково-дисковой муфты в узле крепления корпуса гидромотора с корпусом ВСП, а также раздельная (разнесенная) установка гидромотора и гидротормоза в корпусе ВСП, позволяют решить поставленные задачи, повысить надежность и долговечность ВСП с прямым приводом вращения, а также снимает ограничения на выбор оптимальной комбинации гидромотора и гидротормоза из типоразмерного ряда.
Предлагаемая полезная модель поясняется рисунками. На рис.1а приведен вид спереди ВСП, на рис.1б - вид справа ВСП, на рис.2а - продольный разрез (рис.1а), рис.2б - разрез А (увеличено), рис.2в - сечение Б-Б по кулачково-дисковой муфте.
В состав ВСП входят следующие основные узлы: вертлюг 1, каретка 2, подвес 3, штропы 4, верхнее и нижнее звенья 5, соединяющие раму каретки 2 с вертлюгом 1, гидроцилиндр отклонения вертлюга 6, штропы элеваторные 7, гидроцилиндр отклонения штропов элеватора 8, гидроблок управления 9, гидробазис 10, быстросъемное уплотнительное устройство (плавающая труба) 11, ограждение 12 для защиты ВСП, шаровой кран 13, предохранительный переводник 14.
Внутри корпуса вертлюга 1 расположен гидротормоз 15 с проходным отверстием, который сопряжен с валом 16 вертлюга через шлицевое соединение. Корпус гидротормоза крепится к верхней крышке 17, которая, в свою очередь, крепится к корпусу вертлюга 1. Гидротормоз 15 обеспечивает тормозной момент на валу ВСП.
Через верхнюю крышку 17 к корпусу вертлюга 1 установлена и закреплена полая тумба 18 с гидромотором 19 с проходным отверстием. Корпус гидромотора 19 крепится через фланец к верхней ведущей полумуфте 20, которая через промежуточный диск 21, соединена с нижней ведомой полумуфтой 22, закрепленной на корпусе вертлюга. Промежуточный диск 21 имеет с обеих сторон взаимно перпендикулярные поперечные выступы прямоугольного профиля, входящие в пазы ведущей 20 и ведомой 22 полумуфт. На верхнем конце вала 16 выполнены наружные шлицы, которыми вал соединен с внутренней шлицевой поверхностью ротора гидромотора 19 (поршневой блок).
На тумбе 18 последовательно установлены и закреплены полая тумба 23 с плавающей трубой 11 и коллектор 24. Конструкция коллектора обеспечивает подсоединение гибкого бурового рукава (″манифольда″) для подачи бурового раствора через плавающую трубу во внутреннюю полость вала вертлюга и присоединенные к нему шаровой кран и переводник во внутреннюю полость бурильной колонны при ее вращении и остановке. Основные подшипники вала - роликовые радиально-упорные конические верхний 25 и нижний 26, предназначенные для восприятия осевых и радиальных нагрузок, а также два игольчатых 27, предназначенные для восприятия радиальных нагрузок. Стволовую часть вертлюга (рис.1а, 2а) формируют путем последовательного соединения предохранительного переводника 14, шарового крана 13, ведущего вала 16 и плавающей трубы 11, которая стыкуется с коллектором 24. Вращение вала 16 осуществляют с помощью гидромотора 19, представляющего собой радиально-поршневую гидромашину, создающую максимальный крутящий момент 2000 кГм при частоте вращения вала вертлюга 60 об/мин и максимальный крутящий момент 1000 кГм при частоте вращения вала вертлюга 95 об/мин. Гидромотор рассчитан на рабочее давление 40 МПа. Частота вращения выходного вала вертлюга 16 определяется производительностью насоса, а направление вращения гидромотора и создаваемый им крутящий момент - перепадом давления на входе в гидромотор. Автоматическая система управления гидромотором состоит из челночного клапана, обеспечивающего непрерывную замену рабочей жидкости в замкнутом контуре силовой магистрали гидромотора, предохранительных клапанов, ограничивающих максимальное давление в силовой магистрали гидромотора. Вращение вала вертлюга и создание на нем необходимого крутящего момента обеспечивается подачей управляющего сигнала с пульта управления бурильщика через систему управления наземного гидроагрегата и ВСП на регулятор основного насоса.
2
Каретка 2 является узлом сопряжения вертлюга 1 с направляющей (на рисунках не показана) и обеспечивает направленные перемещения вертлюга совместно с механизмом подачи труб вдоль направляющей и перпендикулярно направляющей (за счет гидроцилиндров отклонения вертлюга 6, а также передачу на нее реактивного момента от бурильной колонны при бурении. Шаровой кран 13 обеспечивает технологическое открытие-закрытие канала ствола вертлюга и герметизацию внутритрубного пространства бурильной колонны, при отсутствии вращения, в качестве противофонтанной арматуры. Соединение вала 16 и шарового крана 13 осуществляют посредством замковой резьбы. Предохранительный переводник 14 предназначен для соединения ВСП с бурильной колонной. Соединение шарового крана 13 и предохранительного переводника 14 осуществляют посредством замковой резьбы. При буровых работах буровой раствор под рабочим давлением до 300 кг/см через гусак 24 и узел 11 поступает в отверстие выходного полого вала 16 вертлюга и далее в бурильную колонну. В корпусе 27 выполнены две проушины для подвеса вертлюга через адаптер и штропы 4 к талевому блоку. Осевая нагрузка от веса колонны воспринимается валом 16 и замыкается через бурт и осевой упорный подшипник 26 с коническими роликами 27 на корпус 28 вертлюга.
ВСП работает следующим образом. Рабочая жидкость от основного насоса наземного гидроагрегата под рабочим давлением подается в полости гидромотора 19, создающего необходимый крутящий момент и скорость вращения вала 16.
Отличием ВСП от известных систем является то, что при наличии осевых смещений оси ротора гидромотора и корпуса вертлюга (за счет зазоров, погрешностей изготовления и монтажа), кулачково-дисковая муфта допускает значительные поперечные смещения и небольшие перекосы. Это обеспечивает следующие преимущества (при отсутствии редуктора): низкий уровень вибраций и шума, упрощение гидромонтажа подвесной части ВСП, повышение ремонтопригодности, повышение технического ресурса гидромотора и ВСП в целом.
Другим отличием ВСП является то, что раздельное комплектование ВСП гидромотором и гидротормозом позволяет выбирать оптимальные сочетания их конструкций, что повышает надежность изделия в целом.
Предлагаемая полезная модель найдет применение буровых установках с верхним приводом вращения.