ВЕРХНИЙ СИЛОВОЙ ПРИВОД БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к установкам бурения нефтяных скважин и может быть использовано в подвесных буровых установках с верхним приводом вращения бурильных труб, используемых для буровых работ на нефтяных и газовых скважинах, в том числе для горизонтального бурения.
Известно устройство верхней приводной бурильной системы (US 4593773, 175-85, 1986). Устройство содержит бурильный блок, в котором мощный роторный двигатель, установлен на редукторе и через трансмиссию передает крутящий момент на вал. В редукторе предусмотрено блокировочное устройство. Эксплуатация устройств с верхней приводной бурильной системой показывает, что основным недостатком применения зубчатых редукторов является наличие источников динамических возмущений, и как следствие, шум, вибрация, неравномерность вращения, сказывающиеся на плавности работы привода в целом. Также существует проблема обеспечения качества зацепления рабочих поверхностей, и как результат, снижение надежности редуктора и привода в целом, а также уменьшение срока службы в связи с точечным износом поверхностей зубьев.
Известна установка для бурения скважин (RU 2011816, Е 21 С 3/00, 1992.01.09). Установка состоит из основания, поворотной платформы, рамы податчика, регулируемого гидропривода или электропривода подачи, каретки с вертлюгом вращателем и дополнительным приводом подачи, средств ориентирования рамы податчика в пространстве, дифференциально-планетарной передачи, стопорных устройств, гидрозамков.
Известен вертлюг с верхним приводом (RU 2027846, Е 21 В 19/16, 1991.12.02). Вертлюг содержит корпус и ствол, в который встроены привод вращения и гидротолкатели свинчивания с реечным механизмом. Последний установлен с возможностью взаимодействия с зубчатым венцом опорного фланца. В нижней части вертлюг имеет стакан с квадратным сечением, установленный в ответном гнезде тележки, воспринимающей реактивные моменты от привода вращения и гидротолкателей свинчивания
Известен верхний силовой привод установки горизонтального бурения нефтяных скважин (RU 29551, Е 21 В 19/00, Е 21 В 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 описанных выше известных устройств можно отнести то, что в их конструкциях использованы редукторные приводы вращения вала вертлюга, представляющие собой зубчатые зацепления. Высокие нагрузки на колеса приводят к их быстрому износу, снижению долговечности, надежности, увеличению уровня вибраций и шума.
Известен безредукторный верхний силовой привод буровой установки (RU 2237790, Е 21 В 3/00, 2003.11.11). Он содержит вертлюг с приводом вращения, смонтированный на направляющей каретке, механизм отклонения вертлюга от оси центра скважины, механизм подачи бурильных труб. Привод вращения 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, для этого в нижней части корпуса вертлюга выполнено проходное отверстие, внутри которого на подшипниках смонтирован выходной полый вал, а внутренние радиальные подшипниковые опоры ротора гидромотора являются одновременно и верхней опорой выходного вала вертлюга. Это техническое решение принято в качестве прототипа. К недостаткам прототипа можно отнести не высокую долговечность и надежность привода.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении долговечности и надежности верхнего силового привода (ВСП) буровой установки.
Поставленная задача решена следующим образом. Верхний силовой привод буровой установки содержит вертлюг с приводом вращения, в котором установлен высокомоментный гидромотор, механизм отклонения вертлюга от оси центра скважины, смонтированный на направляющей каретке, механизм подачи бурильных труб. Привод вращения вертлюга снабжен дополнительным высокомоментным гидромотором, установленным на верхней крышке корпуса вертлюга рядом с ранее упомянутым высокомоментным гидромотором, при этом выходные валы гидромоторов связаны через зубчатую передачу с коэффициентом передачи близким к единице с валом вертлюга, проходящим через внутреннюю полость вновь введенного трубного манипулятора, который связан с корпусом вертлюга и установлен с возможностью поворота относительно вала вертлюга.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунками. На фиг.1 изображен общий вид ВСП, на фиг.2 - вид сбоку вертлюга, на фиг.3 - вид вертлюга в разрезе.
2
Вертлюг представляет собой корпус 1 со встроенными в него подшипниковыми опорами, в которых установлен вал 2 вертлюга. На верхней крышке корпуса установлен быстросъемный уплотнительный узел 3 и гусак 4, которые обеспечивают подсоединение гибкого шланга для подачи бурового раствора в ствол колонны. Вал 2 вертлюга установлен в подшипниковых опорах: верхней роликовой конической 5, нижней сферической двухрядной бив основном упорном сферическом роликовом подшипнике 7. Симметрично на боковых поверхностях корпуса 1 расположены ниши 8 для установки верхних штропов 9, которые соединяются с крюкоблоком через траверсу 10. Расположенные на корпусе 1 проушины 11 служат для крепления рычагов параллелограммного механизма 12. На верхней крышке корпуса 1 установлены расположенные симметрично высокомоментные гидромоторы 13 с гидравлическими тормозами 14. Посредством зубчатой передачи 15 с передаточным числом близким к единице, выходные валы высокомоментных гидромоторов соединены с валом 2 вертлюга. Высокомоментные гидромоторы представляют собой реверсивные радиально-поршневые гидромашины, снабженные предохранительными клапанами, ограничивающими максимальное давление в силовых магистралях (350 кг/см). Рабочая жидкость от основного насоса под рабочим давлением подается в полости высокомоментных гидромоторов, которые создают в сумме необходимый крутящий момент.
В отличие от известных аналогов ВСП, в предлагаемом изобретении использован безредукторный привод. Использование зубчатой передачи обусловлено конструктивными особенностями компоновки привода. Для получения заданных эксплуатационных характеристик изделия применяют гидромоторы с разделением рабочих объемов. Рабочий объем гидромотора может быть разделен с помощью клапанной группы.
Подача и перекрытие бурового раствора в буровую колонну производится с помощью шарового крана 16.
Параллелограммный механизм 12 вертлюга представляет собой рычажно-шарнирную систему из двух параллельно расположенных звеньев-рычагов, которые с помощью осей шарнирно соединены с корпусом 1 вертлюга и ползуном 17. На корпусе ползуна расположены проушины крепления параллелограммных рычагов и ограничивающие упоры. Два гидроцилиндра отклонения 18 вертлюга соединены шарнирно с ползуном и корпусом вертлюга.
В нижней части ВСП установлен трубный манипулятор 19, сквозь внутреннюю полость которого проходит вал 2 вертлюга. Корпус трубного манипулятора 19 посредством шарового погона связан с корпусом 1 вертлюга. Вращение трубного манипулятора осуществляют с помощью гидромотора (на рисунке не показано). На переходной втулке крепится вертикальный кронштейн захвата трубного манипулятора. Корпус кронштейна выполнен в виде прямоугольной трубы. Лапа захвата 20 Г-образного вида установлена в кронштейне и может телескопироваться. Устройство захвата труб представляет собой горизонтальную часть лапы трубного манипулятора, внутри которой находится плавающий корпус прямоугольного сечения со встроенным гидроцилиндром, подвижный и неподвижный вкладыши. Грузовая обойма 21 представляет собой деталь с внутренним отверстием и двумя симметрично расположенными консольными выступами, предназначенными для подвешивания с возможностью проворота с помощью гидроцилиндров 22 двух штропов 23 с элеватором 24. Гидроцилиндры закреплены шарнирно на корпусе трубного манипулятора и со штропами элеватора. Рабочие функции реализуемые трубным манипулятором заключаются: - в захвате бурильной трубы с подсвечников, что обеспечивают возможностью поворота бурильной трубы относительно оси вращения с помощью гидромотора и отклонением посредством гидроцилиндров штропов с элеватором; -фиксацию бурильной трубы в захвате при навинчивании и развинчивании соединений; -телескопирование лапы захвата 20 для совмещения ствола вертлюга с бурильной
трубой; -использование компенсационного хода при навинчивании и развинчивании замковых соединений.
ВСП устанавливают на мачте буровой установки посредством крепления направляющей балки 25 к металлоконструкции мачты. Подвижная часть ВСП имеет возможность перемещения с помощью ползуна 17 по направляющей. Ползун представляет собой несущую трубчатую конструкцию длиной 1840 мм, в поперечном сечении - прямоугольник размером порядка 550×250 мм разомкнутый по одной из длинных сторон. По всем рабочим поверхностям внутри ползуна установлены и закреплены вкладыши из капролона. Со стороны наружной цельной поверхности к несущей раме шарнирно закреплены силовая балка и тяги, являющиеся частями параллелограммного механизма. Тяги и рама ползуна связаны между собой гидроцилиндрами с помощью шарнирных соединений. Параллелограммный механизм формируется при стыковке силовой балки и тяг с корпусом 1 - установке осей и образовании шарнирных узлов. Перемещение «вверх-вниз» осуществляется с помощью лебедки и крюкоблока буровой установки на расстояние порядка 28-30 м. При работе два высокомоментных гидромотора 13 и зубчатая передача 15, (с передаточным числом, близким к единице), обеспечивают вращение ствола вертлюга с различными скоростями и крутящими моментами в прямом и обратном направлениях. Два шаровых крана 16, один из которых управляется вручную, а другой - гидромеханическим приводом обеспечивают подачу и прекращение подачи бурового раствора в буровую колонну. Удержание груза труб буровой колонны при отсутствии вращения и при вращении колонны обеспечивается самой конструкцией корпуса 1. Удержание от проворота труб (переводников) обеспечивают лапой захвата 20 трубного манипулятора 19.
Наземный электрогидроагрегат обеспечивает питание гидроприводов, управление подвесной частью, измерение, контроль, блокировки и индикацию основных параметров ВСП.
ВСП обеспечивает: вращение бурильной колонны; изменение скорости и направления вращения бурильной колонны; свинчивание и докрепление переводников с бурильной колонной; бесступенчатую «азимутальную» ориентацию и удержание в заданном положении бурильной колонны; создание и изменение крутящего момента; торможение и остановку вращения бурильной колонны, ее растормаживание; удержание груза труб бурильной колонны при отсутствии вращения и при вращении колонны; горизонтальное перемещение
ствола вертлюга с удержанием его оси соосно бурильной колонне, при одновременных перемещениях ствола вверх или вниз; горизонтальное перемещение элеватора; удержание в промежуточных положениях ствола вертлюга и элеватора при их горизонтальных перемещениях; поворот трубного манипулятора (элеватора) в горизонтальной плоскости с дискретной фиксацией положений; подачу и удаление буровых труб («свечей») при наращивании бурильной колонны и ее подъеме из скважины; подачу-перекрытие подачи бурового раствора в бурильную колонну; прогрев гидравлической жидкости и прокачку силовых гидромагистралей; механизированную подачу-сворачивание шлангов гидравлических магистралей; дистанционное электрогидроуправление гидрооборудованием; работу с «погружным» инструментом, размеры которого в поперечном сечении размещаются в площади круга диаметром 70 мм.
Основные технические параметры изделия, реализуемые в рабочие функции: крутящий момент - создается на выходном валу-стволе вертлюга работой двух гидромоторов и зубчатой передачей вертлюга, (обеспечивает вращение ствола вертлюга с различными скоростями, направлениями и различными крутящими моментами); тормозной момент - создается на стволе вертлюга за счет работы гидротормозов на валах двух основных гидромоторов (обеспечивает остановку, удержание в застопоренном положении и растормаживание ствола вертлюга); усилие прямого (обратного) хода гидроцилиндров наклона штропов (обеспечивает горизонтальное перемещение штропов элеватора); усилие прямого (обратного) хода гидроцилиндров отвода ВСП (обеспечивает горизонтальное перемещение ствола вертлюга); осевые усилия, выдерживаемые корпусом вертлюга от нагрузок, передаваемых стволом вертлюга. Обеспечивают удержание груза труб бурильной колонны при отсутствии вращения и при вращении колонны); усилие, создаваемое гидроприводом шарового крана для его открытия и закрытия (обеспечивает подачу и прекращение подачи бурового раствора в буровую колонну).
Управление скоростью и направлением вращения ствола вертлюга, крутящим и тормозным моментами, усилиями прямого (обратного) хода гидроцилиндров и гидроприводом шарового клапана осуществляется с помощью электрогидрораспределителей, регуляторов основного и вспомогательного насосов, контрольно-регулирующей аппаратуры (тормозных клапанов, предохранительных и редукционных клапанов, дросселей), соединительных гидравлических линий и арматуры.
Управление осуществляется с устройств ЭГА и пульта управления бурильщика (ПУБ).
Гидравлические магистрали между НГА и ВСП выполнены шлангами высокого и низкого давления, снабженными быстроразъемными соединениями (БРС) и фитингами.
Изобретение найдет применение в подвесных буровых установках с верхним приводом вращения бурильных труб.
Изобретение найдет применение в подвесных буровых установках с верхним приводом вращения бурильных труб.